0 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Как работает регулировка pwm у вентиляторов

Как работает регулировка pwm у вентиляторов

Непонимание работы ШИМ или PWM ( Pulse-width modulation ) часто приводит не только к их неправильному использованию, но даже к ошибкам в проектировании устройств использующих ШИМ для управления. Здесь, ограничившись конкретным применением, я попытаюсь рассказать что такое ШИМ, для чего она требуется и как работает.

Сначала, что такое ШИМ.
Широтно-импульсная модуляция (ШИМ, англ. Pulse-width modulation (PWM)) — управление средним значением напряжения на нагрузке путём изменения скважности импульсов, управляющих ключом.
Когда нужна ШИМ

Главной причиной применения ШИМ является необходимость обеспечить пониженным постоянным напряжением силовых устройств электроники при сохранении высокого КПД, особенно в управляемых электроприводах.

Во внутренних сетях аппаратуры для питания устройств используется постоянное напряжение ограниченного набора напряжений, которые часто требуется изменить под требования конкретного устройства, стабилизировать или регулировать его. Это могут быть электроприводы постоянного тока, чипы, узлы радиоаппаратуры.

Регулировку можно осуществлять с помощью гасящих напряжение устройств: резисторов, транзисторов (если требуется регулировка). Главный недостаток такого решения потери мощности и повышенное тепловыделение на регулирующих устройствах.

Поскольку известно что выделяемая мощность равна :

P = I x U или P = I 2 x R Вт.

то чем больше ток I в цепи и падение напряжения U , тем больше потери мощности. Здесь R — величина сопротивления регулирующего элемента.

Представьте что требуется погасить хотя бы 3 V при токе нагрузки 10 A , это уже 30 Вт истраченных в пустую. А каждый ватт теряемой мощности не только снижает продолжительность работы источников питания, но и требует дополнительного оборудования для вывода выделяемого, этой мощностью, тепла.

Это относится к гасящим резисторам и полупроводниковым приборам тоже.

Но хорошо известно, что полупроводниковые приборы очень хорошо (с малыми потерями и тепловыделением) работают как ключи, когда имеют только два состояния открыт/закрыт.

Этот режим позволяет снизить потери на коммутирующем полупроводниковом приборе до уровня:

U нас для современных полупроводниковых коммутаторов приближается к 0,3 v и при потребляемых токах 10 А потери мощности будут приближаться к 3 Вт. Это в режиме ключа, а при работе в устройствах ШИМ и меньше.

В ШИМ в качестве ключевых элементов использует полупроводниковые приборы в ключевом режиме, то есть транзистор всё время или разомкнут (выключен), или замкнут (находится в состоянии насыщения).
В первом случае транзистор имеет почти бесконечное сопротивление, поэтому ток в цепи весьма мал, и, хотя всё напряжение питания падает на транзисторе, выделяемая на транзисторе мощность практически равна нулю.
Во втором случае сопротивление транзистора крайне мало, и, следовательно, падение напряжения на нём близко к нулю — выделяемая мощность также мала.
В переходных состояниях (переход ключа из проводящего состояния в непроводящее и обратно) мощность выделяемая в ключе значительна, но так как длительность переходных состояний крайне мала, по отношению к периоду модуляции, то средняя мощность потерь на переключение оказывается незначительной.

Реализовать преимущества ключевого режима в схемах понижающих и регулирующих напряжение постоянного тока, позволило использование ШИМ.

Повторюсь, широтно-импульсная модуляция — управление средним значением напряжения на интегрирующей нагрузке путём изменения скважности импульсов, с помощью управляющего ключа.

Работа ШИМ на интегрирующую нагрузку показана на рис. 1.

Главным условиям такого применения ШИМ является наличие интегрирующей нагрузки.

Потому что амплитудное значение напряжения равно E .

Это могут быть интегрирующая RC, LC, RLC или RL цепи и механические интеграторы (например электромотор).

При работе ШИМ на интегрирующей нагрузке напряжение — эквивалентное постоянное напряжение изменяется в зависимости от скважности ( Q ) импульсов.

здесь: Q — скважность, t и — длительность импульса, T — период следования импульсов.

С учетом скважности эквивалентное постоянное напряжение будет равно:

E экв = Q x E Вольт

здесь: E экв — эквивалентное постоянное напряжение ( Вольт ), Q — скважность, E — напряжение источника от которого запитан ШИМ преобразователь ( Вольт ).

Реально на зажимы нагрузки ШИМ подается напряжение равное E , а работа совершаемая электрическим током (или число оборотов электродвигателя) определяется именно E экв . При восстановлении на интегрирующем конденсаторе получаем именно напряжение E экв.

Мощность выделяемая на управляющем ключе, управляемом ШИМ равна:

Схема подключения нагрузки к ШИМ.

Никаких отличных от схемы включения электродвигателя на постоянном токе (частный случай нагрузки) схемных решений ШИМ не требует. Просто электродвичатель подключается к источнику питания работающего в режиме ШИМ. Разве что, в определенных ситуациях требуется ввести дополнительную фильтрацию помех возникающих на фронтах импульсов. Этот фильтр на рис. 2 в виде конденсаторов и демпфирующего диода.

На рис. 2 показано такое подключение.

Мы видим, что коммутатор (полевой транзистор) можно просто заменить на переменный резистор.

Читайте так же:
Синхронизация allway sync n go в сети интернет
Схема PWM

В статье "Переходник для вентилятора 3 pin на 4 pin" http://de1fer.ru/?p=45#more-45 владелец блога приводит схему вентилятора с P WM .

здесь: GND — земля (общий), Control — контакт P WM управления, +12 — напряжение питания, Sense — вывод датчика оборотов.

В данной схеме управление возможно скорее постоянным током +I упр, чем ШИМ сигналом.

Для управления импульсным (ШИМ) сигналом требуется схема изображенная на рис. 4. Да и судя по параметрам транзистора "PWM" он выбирался именно для управления постоянным током. По крайней мере он будет нормально работать в таком режиме с вентилятором до 1,6 Вт.

А вот в импульсном режиме без конденсатора C , транзистор BC879 будет греться немного меньше чем на постоянном токе и возможен останов электродвигателя на малых длительностях токового импульса (малых оборотах) из-за его интегрирования на входной емкости C вх транзистора.

Основные параметры кремниевого биполярного высокочастотного n-p-n транзистора BC879 от SIEMENS

Pc maxUcb maxUce maxUeb maxIc maxTj max, °CFt max
800mW100V80V5V1A150°C200MHz

В случае необходимости отключить PWM (ШИМ) управление в схеме показанной на рис. 3 необходимо просто соединить вывод Control с проводом +12v .

Есть другой вариант схемы вентилятора с P WM на форуме Radeon.ru

Существенных отличий от рис. 3 нет, только в качестве управляемого ШИМ ключа используется МОП полевой транзистор со встроенным или индуцированным каналом p- типа. Данная схема тоже может управляться как P WM так и постоянным напряжением (но рисковать не стоит — надо знать параметры транзистора).

Данная схема вполне работоспособна и не имеет недостатков схемы показанной на рис. 3.

Для отключения (в зависимости от типа транзистора) достаточно соединить вывод Control с проводом + или -.

Вниманию самодельщиков!

Я бы не рекомендовал применение вентиляторов имеющих встроенный PWM (4- pin ) одновременно с какими либо иным регуляторам оборотов вентилятора.

В случае если Вас не устраивает алгоритм управления PWM встроенного на материнскую (системную) плату.

И у Вас есть устраивающий Вас реобас (контроллер управления вентилятором), то используйте вентилятор с 3-pin соединитель.

Если вентилятор с PWM вам дорог или не имеет замены — то необходимо отключить PWM , способом описанным выше, заменив соединитель 4-pin на 3-pin и подключить к реобасу.

Но помните применение вентилятора с PWM в любом нештатном режиме не позволит достичь его максимальной производительности.

Применение одновременно с PWM — токового управления на постоянном токе не рекомендуется по причине снижение напряжения питания вентилятора на 10-20%, что не даст вывести такой вентилятор на полную производительность.

Применение одновременно с PWM — ШИМ по цепи питания может привести к периодической нестабильности работы вентилятора (возможно возникновение скользящих биений между частотами PWM — ШИМ по цепи питания систем) и создать неоднозначность для систем оснащенных системой стабилизации оборотов. Кроме того как и в предыдущем случае на 10-15% снизится результирующее напряжение на вентиляторе, что не даст вывести такой вентилятор на полную производительность.

Так что остановитесь на чем-то одном. Или используйте вентилятор с PWM , или применяйте внешнее управление вентилятором по цепи питания на вентиляторе с 3-pin разъемом.

Заключение

Применение PWM или ,как привыкли говорить мы, ШИМ повышает КПД понижающих напряжение устройств постоянного тока, что снижает общее тепловыделение электронных устройств с ШИМ.

ШИМ позволяет создавать компактные системы регулируемого электропривода постоянного тока большой мощности.

В современных устройствах постоянного тока управляющих напряжением и понижающих стабилизаторах напряжениях обычно регулировки выполняются с помощью ШИМ. Для этого выпускаются контроллеры требующие минимум навесных элементов.

Обзор и тестирование комплекта из трех вентиляторов Arctic P12 PWM PST A-RGB 0dB

Обзор и тестирование комплекта из трех вентиляторов Arctic P12 PWM PST A-RGB 0dB

Компания Arctic отметилась на рынке корпусных вентиляторов выпуском моделей с режимом 0dB. Вентиляторы Arctic P12 PWM PST A-RGB имеют ШИМ-управление скоростью вращения, при скважности ШИМ-сигнала менее 10% вентиляторы останавливаются. Двигатель сконструирован на гидродинамическом подшипнике, а внешний вид украшен адресуемой RGB-подсветкой на основе 12 LED-ламп. Вентиляторы продаются как поштучно, так и в комплекте из трех штук (именно такой комплект мы сегодня и рассмотрим). Интересно будет узнать об основных отличиях данной модели от типичных 120-мм вентиляторов.

Технические характеристики

  • Модель: P12 PWM PST A-RGB 0dB;
  • Размеры: 120×120×25 мм;
  • Вес одного вентилятора: 131 г;
  • Скорость вращения: 0-2000 об/мин;
  • Контроль вращения: ШИМ;
  • Статическое давление: до 1,85 мм H2O;
  • Воздушный поток: до 48,8 CFM/82,91 м3/ч;
  • Подшипник: гидродинамический (FDB);
  • Кабель: 40 + 8 см;
  • Коннекторы: 4-пин PWM + 3-пин +5В RGB;
  • Гарантия: 6 лет;
  • Рекомендуемая цена комплекта: €39.99.
Читайте так же:
Часы sunlight женские как регулировать

Упаковка и комплектация

Набор из трех вентиляторов поставляется в обычной картонной коробке, на лицевой стороне которой расположена наклейка с техническими характеристиками.

На верхнем клапане имеется наклейка с QR-кодом для загрузки инструкции пользователя.

В коробке находятся вентиляторы. Между ними картонные прокладки, целлофановой упаковки нет.

В комплекте только набор из 12 винтов крепления с крупной резьбой.

Внешний вид

Перед нами стандартные вентиляторы призматической формы.

К цилиндрической рамке по внешнему периметру примыкают четыре двойных ушка с отверстиями для крепления вентилятора. Между ушками имеются небольшие ребра жесткости.

С внешней стороны вокруг отверстий наклеены резиновые виброгасящие вставки.

Двигатель вентилятора крепится к рамке четырьмя дугообразными направляющими, такая форма позволяет им, как рессорам, компенсировать передачу вибраций от двигателя на внешнюю рамку.

Две дуги с прорезями с внешней стороны – в них уложены провода, идущие на питание двигателя и подсветки. Указаны нагрузочные характеристики: 12В/0.11А для вентилятора и 5В/0,4А для LED-подсветки.

Крыльчатка вентилятора из пяти широких лопастей, закрученных по большому радиусу. С внешней стороны лопасти объедены цилиндрической кольцевой рамкой. Такая конструкция лопастей практически не встречается в корпусных вентиляторах. По заверению производителя это дает более фокусированный воздушный поток. Но как это повлияет на эксплуатационные характеристики, пока непонятно.

Выполнена крыльчатка из полупрозрачного матового белого пластика. В основании вставлены 12 светодиодов.

Два кабеля выходят с двух разных сторон корпуса. Оба провода выполнены в виде плоской ленты без нейлоновой оплетки.

Длина каждого кабеля — 40 см. Также добавлены штекеры-разветвители, позволяющие подключить последовательно вентиляторы между собой. Это тоже особенность данной модели, чаще производители просто добавляют в комплект хаб на несколько устройств.

Подсветка

За счет полупрозрачного матового пластика свет от LED-ламп хорошо рассеивается, создавая визуально сплошной диск. Внешняя кольцевая рамка дополнительно отражает и рассеивает свет, что дает равномерность свечения по внешнему периметру, но все равно центральная часть более яркая, ведь именно там находятся светодиоды.

Подсветка вентиляторов не имеет собственного контроллера в комплекте, подключается, настраивается и регулируется встроенными средствами материнской платы. Заявлена поддержка ASUS Aura Sync, MSI Mystic Light Sync, Gigabyte RGB Fusion 2.0 и ASRock Polychrome Sync. Именно последнюю мы и будем использовать, подключившись к материнской плате ASRock X570 Extreme 4.

Как хорошо видно по фотографиям, синхронизация между вентиляторами, подключенными последовательно, работает на этой плате некорректно. С этим мы столкнулись и при тестировании других вентиляторов с подсветкой ARGB. Подключившись к контроллеру корпуса мы получили четко синхронизированную смену цветов между всеми вентиляторами комплекта.

Тестирование

Модели вентиляторов Arctic PST поддерживают одноименную технологию — PWM Sharing Technology. Реализовано это за счет 4-пин разветвителя, который позволяет подключать до 5 вентиляторов последовательно, в том числе и вентилятор охлаждения CPU, при этом он должен быть последним в цепи.

Это дает возможность автоматического синхронного управления скоростью всех вентиляторов в цепи или за счет настройки в BIOS, или в ПО материнской платы. Изменения оборотов регулируются в зависимости от изменений температуры CPU или температуры чипсета материнской платы.

Плюс производитель добавил режим полной остановки вентиляторов при ШИМ-сигнале менее 10%.

В первом тесте мы определим шумовые характеристики комплекта. Для этого подключим вентиляторы к панели GELID Solutions SpeedTouch 6, она дает возможность ступенчато регулировать напряжение, подаваемое на вентиляторы — от 6.5 до 12 В, также демонстрирует скорость вращения вентиляторов.

Минимально возможная скорость, которую удалось установить с помощью панели – 1400 об/мин. Максимальная скорость при этом была 2100 об/мин.

Уровень шума измерялся в полуметре от вентиляторов, установленных на столе. Фоновый уровень шума был менее 30 дБА и не фиксировался шумомером. Блок питания, к которому подключалась панель, работал в пассивном режиме. Измерения проводились как с тремя включенными вентиляторами, так и с одним.

При оборотах ниже 1500 уровень шума снижается менее 30 дБ, что является вполне комфортным показателем. В закрытом корпусе вентиляторы можно назвать бесшумными. Значительный уровень шума, более 40 дБ, только на максимальных оборотах, но это приемлемо для производительных вентиляторов, работающих на 2000 об/мин.

Во втором тесте мы посмотрим алгоритм работы ШИМ-управления. Для этого вентиляторы были подключены к материнской плате ASRock X570 Extreme 4 к разъему FAN3. Управление через утилиту A-Tuning. Данная утилита в автоматическом режиме определяет возможности вентилятора по регулировке оборотов в зависимости от ШИМ-заполнения и выводит данные в виде таблицы.

Читайте так же:
Устройство для регулировки теплового зазора

В таблице мы видим неверный результат на 100%, по всей видимости должно быть именно 2000 об/мин. Минимальные обороты на 10% — 500 RPM.

Вручную выставляем скорость вращения менее 10% при температуре CPU до 50°С. Как и ожидалось, вращение лопастей вентилятора полностью останавливается.

Но при этом вентилятор все равно стартует достаточно часто, при старте в течении секунды слышен стрекот двигателя. Все же 10% для нулевого уровня — очень низкий порог, более эффективно смотрелись бы 20 или 30% — это остановка при 600 об/мин.

В системе с производительным процессором вентиляторы будут или все время вращаться, или очень часто стартовать и останавливаться. Видится целесообразной установка подобных вентиляторов в системах с достаточно «холодными» процессорами, где во время низких нагрузок все вентиляторы ПК будут работать в пассивном режиме, в том числе и на БП, и на видеокарте. При этом можно получить полностью пассивную систему охлаждения.

Заключение

Вентиляторы Arctic P12 PWM PST A-RGB 0dB очень интересны для создания полностью бесшумных сборок. Кроме технологии PST, обеспечивающей синхронную автоматическую работу до пяти вентиляторов, подключенных в одну цепочку, они имеют режим полной остановки при скважности ШИМ-сигнала менее 10%.

Не менее интересна и конструкция самой крыльчатки с внешним цилиндрическим кольцом, вращающимся в рамке вентилятора. За счет этого воздушный поток должен быть более сфокусированным, да и сама RGB-подсветка выглядит более ярко и равномерно освещает весь контур.

У вентиляторов очень широкий диапазон оборотов в активном режиме – от 500 до 2000, что делает их универсальным решением: можно использовать как корпусные на средних оборотах с комфортным уровнем шума, так и для установки на системы охлаждения CPU – башни или радиаторы СЖО. На высоких оборотах они создают эффективный поток воздуха.

При этом уровень шума вполне комфортный: до 1500 об/мин их можно назвать тихими, а на меньших оборотах даже бесшумными.

ШИМ контроллер однофазных вентиляторов MCHRTF08C0

ШИМ контроллер однофазных вентиляторов MCHRTF08C0 ШИМ контроллер однофазных вентиляторов MCHRTF08C0

Шим-контроллер однофазных вентиляторов MCHRTF08C0 разработан компанией «Carel». Аббревиатура ШИМ обозначает широтно-импульсный сигнал. Устройство предназначено для регуляторов скорости вращения вентиляционного оборудования.

Обозначенные приборы для однофазного вентилятора были разработаны, помимо прочего, для того чтобы осуществлять контроль над скоростью вентилятора, учитывая показатели давления и температуры.

Помимо этого шим-контроллер MCHRTF08C0 следит за тем, чтобы осевое или радиальное биение в вентиляторе не превышало пределов, которые допускаются. Если же все-таки это случилось, устройство меняет обороты и устанавливает такой режим работы, чтобы нагрузки, оказываемые на оснащение, возвратились к прежним параметрам.

Приборы прошли тщательную проверку, которую устанавливает компания «Carel». Шим-контроллеры MCHRTF08C0 показали себя с лучшей стороны, а после появления их на специализированном рынке сразу повысился спрос на эти устройства.

От короткого замыкания шим-контроллеры защищает предохранитель, расположенный с внешней стороны платы.

Устройство стабильно и эффективно работает в имеющихся условиях.

Мы поставляем ШИМ контроллер однофазных вентиляторов MCHRTF08C0 цена, купить в Москве по всей России: Адлер, Армавир, Армянск, Ачинск, Абакан, Архангельск, Астрахань, Альметьевск, Артем, Балаково, Барнаул, Барабинск, Батайск, Бахчисарай, Белебей, Белорецк, Белоярский, Бердск, Бийск, Бугульма, Белгород, Благовещенск, Братск, Брянск, Верхняя Пышма .

Волжск, Вологда, Воткинск, Выборг, Великий Новгород, Владивосток, Владимир, Волгоград, Воронеж, Дзержинск, Гатчина, Геленджик, Глазов, Джанкой, Димитровград, Златоуст, Екатеринбург, Зеленодольск, Ивангород, Иваново-Основной, Ишим, Йошкар-Ола, Каменск-Шахтинский, Камышин, Ижевск, Иркутск, Калининград, Касли, Качканар, Колпино, Комсомольск-на-Амуре, Кострома, Кузнецк, Куйбышев, Кунгур, Калуга, Кемерово, Краснодар, Красноярск, Курск, Ливны, Ломоносов, Липецк, Майкоп, Медногорск, Миасс, Магнитогорск, Мурманск, Надым, Нальчик, Нарьян-Мар, Нефтекамск, Новый Уренгой, Ногинск, Нягань, Набережные Челны, Нальчик, Нижний Новгород, Новосибирск, Новороссийск, Омск, Орел, Пангоды, Первоуральск, Петрозаводск, Петропавловск-Камчатский-2, Прокопьевск, Пятигорск, Пенза, Пермь, Петрозаводск, Радужный, Рубцовск, Ростов-на-Дону, Рыбинск, Самара, Санкт-Петербург, Саратов, Салехард, Сочи, Сызрань, Смоленск, Сочи, Ставрополь, Тобольск, Тольятти, Тосно, Туапсе, Таганрог, Тверь, Тула, Тюмень, Ухта, Уфа, Хабаровск, Черкесск, Черноморское, Чернушка, Чусовой, Шадринск, Энгельс, Югорск, Южно-Сахалинск, Юрюзань, Челябинск, Чита, Ялта, Ярославль.

Введение

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.

Тепловыделение и охлаждение

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.

Читайте так же:
Как регулируют напряжение повышающего трансформатора

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

Типы вентиляторов

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

Управление вентилятором

Управление отсутствует

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.

On/off управление

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.

Читайте так же:
Как регулировать температуру батареи отопления вентилями

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.

Линейное управление

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.

ШИМ управление

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

Заключение

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.

голоса
Рейтинг статьи
Ссылка на основную публикацию
ВсеИнструменты
Adblock
detector