ШИМ-регулятор оборотов для вентилятора


СОДЕРЖАНИЕ:

ШИМ регулятор за 1,5$

ШИМ регулятор предназначен для регулирования скорости вращения полярного двигателя,яркости освещения лампочки или мощностью нагревательного элемента.

Преимущества:
1 Простота изготовления
2 Доступность компонентов(стоимость не превышает 2$)
3 Широкое применение
4 Для новичков лишний раз потренироваться и порадовать себя=)

Однажды понадобился мне «девайс» для регулировки скорости вращения кулера. Для чего именно уже не помню. С начала пробовал через обычный переменный резистор, он сильно грелся и это было не приемлемо для меня. В итоге покопавшись в интернете нашел схему на мне уже знакомой микросхеме NE555. Это была схема обычного ШИМ регулятора с скважностью (длительностью) импульсов равной или меньше 50% (позже приведу графики как это работает). Схема оказалось очень простой и не требовала настройки, главное было не накосячить с подключением диодов и транзистора. Первый раз его собрал на макетной плате и испытал, все заработало с пол оборота. Позже уже развел небольшую печатную плату и аккуратнее все выглядело=) Ну теперь взглянем на саму схему!

Схема ШИМ регулятора

Из нее мы видим что это обычный генератор с регулятором скважности импульсов собранный по схеме из даташита. Резистором R1 мы и меняем эту скважность, резистор R2 служит нам защитой от КЗ, так как 4 вывод микросхемы через внутренний ключ таймера подключен на землю и при крайнем положении R1 он просто замкнет. R3 это подтягивающий резистор. С2 это задающий частоту конденсатор. Транзистор IRFZ44N — это N канальный мосфет. D3 — это защитный диод который предотвращает выхода из строя полевик при обрыве нагрузки. Теперь немного о скважности импульсов. Скважность импульса — это отношение его периода следования (повторения) к длительности импульса, то есть через определенный промежуток времени будет происходить переход от (грубо говоря) плюса к минусу, а точнее от логической единицы к логическому нулю. Так вот этот промежуток времени между импульсами и есть та самая скважность.

Скважность при среднем положении R1

Скважность при крайнем левом положении R1

Скважность при крайнем правом положении R

Ниже приведу печатные платы с расположением деталей и без них

Теперь немного о деталях и их вид. Сама микросхема выполнена в DIP-8 корпусе, конденсаторы керамические малогабаритные, резисторы на 0,125-0,25 ватт. Диоды обычные выпрямительные на 1А (самое доступное это 1N4007 их везде навалом). Так же микросхему можно устанавливать на панельку, если в будущем вы хотите ее использовать в других проектах и лишний раз не выпаивать ее. Ниже приведу фотографии деталей.

P.S:Номинал конденсатора может варьироваться от 2.2 нанофарада до 4.7 нанофарад. Сопротивление резистора R4 от 47-180 ом.
P.P.S: Данный Шим регулятор я использовал и для регулирования:оборотов двигателя,яркости лампочки и температуру нагревательного элемента.

Всем творческих успехов.Спасибо за внимание!

Простая схема управления двигателем постоянного тока

Простейшая схема управления двигателем постоянного тока состоит из полевого транзистора, на затвор которого подается ШИМ сигнал. Транзистор в данной схеме выполняет роль электронного ключа, коммутирующего один из выводов двигателя на землю. Транзистор открывается на момент длительности импульса.

Как будет вести себя двигатель в таком включении? Если частота ШИМ сигнала будет низкой (единицы Гц), то двигатель будет поворачиваться рывками. Это будет особенно заметно при маленьком коэффициенте заполнения ШИМ сигнала.
При частоте в сотни Гц мотор будет вращаться непрерывно и его скорость вращения будет изменяться пропорционально коэффициенту заполнения. Грубо говоря, двигатель будет «воспринимать» среднее значение подводимой к нему энергии.

Схема для генерации ШИМ сигнала

Существует много схем для генерации ШИМ сигнала. Одна из самых простых — это схема на основе 555-го таймера. Она требует минимум компонентов, не нуждается в настройке и собирается за один час.

Напряжение питания схемы VCC может быть в диапазоне 5 — 16 Вольт. В качестве диодов VD1 — VD3 можно взять практически любые диоды.

Если интересно разобраться, как работает эта схема, нужно обратиться к блок схеме 555-го таймера. Таймер состоит из делителя напряжения, двух компараторов, триггера, ключа с открытым коллектором и выходного буфера.

Вывод питания (VCC) и сброса (Reset) у нас заведены на плюс питания, допустим, +5 В, а земляной (GND) на минус. Открытый коллектор транзистора (вывод DISCH) подтянут к плюсу питания через резистор и с него снимается ШИМ сигнал. Вывод CONT не используется, к нему подключен конденсатор. Выводы компараторов THRES и TRIG объединены и подключены к RC цепочке, состоящей из переменного резистора, двух диодов и конденсатора. Средний вывод переменного резистора подключен к выводу OUT. Крайние выводы резистора подключены через диоды к конденсатору, который вторым выводом подключен к земле. Благодаря такому включению диодов, конденсатор заряжается через одну часть переменного резистора, а разряжается через другую.

В момент включения питания на выводе OUT низкий логический уровень, тогда на выводах THRES и TRIG, благодаря диоду VD2, тоже будет низкий уровень. Верхний компаратор переключит выход в ноль, а нижний в единицу. На выходе триггера установится нулевой уровень (потому что у него инвертор на выходе), транзисторный ключ закроется, а на выводе OUT установиться высокий уровень (потому что у него на инвертор на входе). Далее конденсатор С3 начнет заряжаться через диод VD1. Когда она зарядится до определенного уровня, нижний компаратор переключится в ноль, а затем верхний компаратор переключит выход в единицу. На выходе триггера установится единичный уровень, транзисторный ключ откроется, а на выводе OUT установится низкий уровень. Конденсатор C3 начнет разряжаться через диод VD2, до тех пор, пока полностью не разрядится и компараторы не переключат триггер в другое состояние. Далее цикл будет повторяться.

Приблизительную частоту ШИМ сигнала, формируемого этой схемой, можно рассчитать по следующей формуле:

где R1 в омах, C1 в фарадах.

При номиналах указанных на схеме выше, частота ШИМ сигнала будет равна:

F = 1.44/(50000*0.0000001) = 288 Гц.

ШИМ регулятор оборотов двигателя постоянного тока

Объединим две представленные выше схемы, и мы получим простую схему регулятора оборотов двигателя постоянного тока, которую можно применить для управления оборотами двигателя игрушки, робота, микродрели и т.д.

VT1 — полевой транзистор n-типа, способный выдерживать максимальный ток двигателя при заданном напряжении и нагрузке на валу. VCC1 от 5 до 16 В, VCC2 больше или равно VCC1.

Вместо полевого транзистора можно использовать биполярный n-p-n транзистор, транзистор дарлингтона, оптореле соответствующей мощности.

ШИМ-регулятор оборотов вентилятора печки (отопителя)

Схемотехника ШИМ- регулятора оборотов двигателя постоянного тока.

  • микропроцессора (генерация ШИМ-сигнала, измерение тока и температуры, индикация режимов);
  • силового транзистора (коммутация тока, исполнительный элемент ШИМ-регулятора оборотов электровентилятора);
  • фильтра (устранение электромагнитных помех).

Частоту вращения коллекторного двигателя можно регулировать, изменяя подаваемое на него напряжение. При постоянном значении напряжения источника питания – аккумуляторной батареи, напряжение на двигателе можно менять, изменяя сопротивление в цепи двигателя, к примеру, с помощью реостата или транзистора. Однако такой способ при управлении мощными приводами приводит к выделению большой тепловой мощности на сопротивлении (транзисторе) и снижению КПД системы.
Повысить КПД можно, подавая на двигатель полное напряжение, но на ограниченное время. Если это делать с большой частотой, то, управляя длительностью включения, можно фактически менять среднее напряжение, подаваемое на двигатель.

Изменение длительности импульсов при неизменном периоде их следования (постоянной частоте) и называется широтно-импульсной модуляцией (ШИМ, в англоязычных текстах: PWM-Pulse Width Modulation).

При регулировании скорости вращения двигателя с помощью широтно-импульсной модуляции на двигатель подается полное напряжение питание, но регулируется время, в течение которого оно подается. Условно говоря, ШИМ-регулятор оборотов вентилятора замыкает силовой ключ каждую секунду на десятую долю секунды, если нам нужно 10% мощности двигателя, если нам нужно 25% мощности, то ШИМ-регулятор оборотов замыкает силовой ключ на четверть секунды, если 50% мощности — то полсекунды и т. д. Когда же нам нужно раскрутить двигатель на полную мощность, ШИМ-регулятор оборотов замыкает силовой ключ на полную секунду, то есть фактически силовой ключ не размыкается совсем.
Конечно же, реально микропроцессор управляет силовым ключом с частотой много выше, чем один раз в секунду, но принцип остается тем же. При достаточно высокой частоте происходит сглаживание пульсаций тока при индуктивной нагрузке, и фактически на двигатель подается некоторое эффективное напряжение. Скажем, при напряжении питания 12В и длительности импульса 50% от периода, получается точно такой же результат, как и при подаче на двигатель напряжения 6В.
При эксплуатации автомобиля в городском цикле с повышенной температурой окружающего воздуха, когда вероятность перегрева двигателя максимальна (особенно в «пробках»), режим плавного изменения скорости вращения вентилятора в пределах 30-60% с помощью ШИМ-регулятора оборотов достаточен для ограничения температуры двигателя автомобиля. Применение блока управления ЭВСО в системе охлаждения автомобиля устраняет необходимость включения вентилятора на мощность выше 60% (тем более на полную мощность), тем самым обеспечивая практически полное отсутствие шума в салоне автомобиля в отличие от раздражающего рева работающего на «всю катушку» электровентилятора в обычной системе охлаждения двигателя автомобиля.

Каждый электрик должен знать:  Развитие электрической дуговой сварки

2 Схемы

Принципиальные электросхемы, подключение устройств и распиновка разъёмов

Аналоговый регулятор оборотов вентилятора с термоконтролем

Как известно, сейчас вместо больших и тяжелых радиаторов используются системы активного охлаждения с вентиляторами. В эпоху микропроцессоров и микроконтроллеров вентиляторы управляются, главным образом, с помощью ШИМ (англ. PWM — Pulse-Width Modulation), то есть регулируется ширина импульса, подаваемого на вентилятор. В некоторых случаях не стоит управлять вентилятором в импульсном режиме из-за повышенного риска помех, которые могут возникнуть в других частях схемы. Тогда нам и понадобится такой аналоговый контроллер оборотов.

Эта схема была разработана для активного охлаждения усилителя большой мощности и позволяет регулировать вращение сразу 4-х вентиляторов. Датчиком температуры здесь является транзистор BD139, так как точность не важна, а применение транзистора этого типа позволяет снизить стоимость всей системы термоконтроля.

Кроме того, корпус этого транзистора легко прикручивается к радиатору, обеспечивая хороший тепловой контакт. Регулировка оборотов заключается в плавной смене выходного напряжения, поэтому не создает никаких электропомех, благодаря чему идеально подходит даже для малошумящих усилителей мощности. При тихом прослушивании УМЗЧ, где мощность потерь маленькая, а радиатор холодный — вентиляторов не слышно совсем.

Принципиальная схема регулятора

Основа — двойной операционный усилитель U1 (LM358). Выбор этого операционного усилителя продиктован не только его низкой ценой и доступностью, но, прежде всего, возможностью работы при выходных напряжениях, близких к нижней шине питания, то есть около потенциала массы.

Первая половина операционного усилителя (U1A) работает в конфигурации дифференциального усилителя с коэффициентом усиления 1. Усиление установлено с помощью резисторов R4-R7 (100k) и в случае необходимости их можно изменить путем изменения соотношения R7/R4 при сохранении такого же отношения R6/R5.

Датчиком температуры является транзистор T1 (BD139), а точнее его переход база-коллектор, подключенный в направлении нужной проводимости. Резистор R1 (22k) ограничивает ток, который течёт через T1. Напряжение на базе транзистора T1 при комнатной температуре будет в пределах 600 мВ и как в типовом разъеме PN будет изменяться с увеличением температуры на величину около 2.3 мВ/К.


Конденсатор C1 (100nF) фильтрует напряжение, которое затем поступает на резистор R4, то есть вход дифференциального усилителя U1A. Делитель построен на R2 (22k), P1 (5к) и R3 (120R) и он позволяет регулировать напряжение, которое подается на резистор R5 — неинвертированный вход усилителя U1A. Конденсатор C2 (100nF) фильтрует напряжение. В простейшем случае с помощью потенциометра P1 необходимо установить напряжение на С2, равное напряжению на C1 при комнатной температуре. Это приведет к тому, что на выходе усилителя U1A (pin 1) напряжение равно 0 (при комнатной температуре) и будет расти примерно на 2.3 мВ/K с увеличением температуры.

Вторая половина микросхемы (U1B) — усилитель с Ку 61, за значение которого отвечают элементы R9 (120k) и R8 (2k). Усиление задаётся соотношением этих резисторов, увеличенным на 1.

Исполнительный элемент — транзистор Дарлингтона T2 (TIP122), работающий в качестве буфера напряжения с большим максимальным выходным током. Резистор R10 (330R) ограничивает ток базы транзистора.

Напряжение с выхода U1A повышается более чем в 60 раз, после чего попадает на транзистор T2. Ток, протекающий через транзистор поступает через диоды D1-D4 (1N4007) на разъемы GP2-GP5, к которым подключают вентиляторы. Конденсаторы C5-C8 (100uF) фильтруют питание вентиляторов, а, кроме того, устраняют помехи, которые генерируют вентиляторы во время работы.

О блоке питания термоконтроллера. Система питается напряжением 15 В с током, соответствующим номиналам моторов. Напряжение питания подается на разъем GP1, а конденсаторы C3 (100nF) и C4 (100uF) являются его фильтрами.

Сборка схемы

Монтаж системы управления моторами не сложен, пайку следует начать с установки одной перемычки. Порядок подключения к плате остальных элементов любой, но удобно начать с резисторов и светодиодов, а в конечном итоге электролитическими конденсаторами и разъемами. Способ монтажа транзистора T2 и термодатчика T1 очень важен.

Следует иметь в виду, что транзистор Т2 работает линейно, поэтому выделяется большая мощность потерь, которая непосредственно переводится в тепло. Плата спроектирована так, чтобы можно было ее прикрутить к радиатору. Транзисторы T1 и T2 необходимо смонтировать на длинных выводах и их отогнуть, чтобы можно было установить на радиатор. Не забудьте прокладки, чтоб изолировать их электрически от радиатора.

Запуск и настройка

Схема, собранная из исправных компонентов, должна заработать сразу. Нужно только помнить о настройке порога с помощью потенциометра P1 так, чтобы при комнатной температуре вентиляторы крутились медленно. Напряжение на вентиляторе при этом режиме составляет около 4 В и достигает 12 В для температуры 80 градусов, то есть при росте примерно на 60 градусов.

Зная необходимый диапазон изменения выходного напряжения и соответствующий ему диапазон изменения температуры можно вычислить коэффициент усиления ОУ U1B. Приведет это к изменению диапазона выходного напряжения, выраженное в милливольтах, а значит к изменению температуры от постоянного значения 2.3 mV/K. Тогда нужно будет с помощью потенциометра P1 всего лишь настроить такую точку работы, чтобы при комнатной температуре выходное напряжение было равно требуемому при расчете нижней границы.

Простейший регулятор для вентилятора постоянного тока

Вентиляторы могут использоваться для охлаждения схем, но постоянное вращение при номинальном напряжении приводит к механическом износу, прежде всего, подшипников. Включая вентилятор лишь по мере необходимости, и на скорости, соразмерной температуре, можно существенно продлить срок его жизни, так же, как и срок жизни охлаждаемой им аппаратуры.

Простейшая схема управления лишь включает и выключает вентилятор, но расплатой за простоту являются коммутационные помехи по питанию и высокие механические нагрузки на вентилятор. Пропорциональные контроллеры, безусловно, более элегантны. Они включаются при переходе температуры через определенный порог, увеличивают скорость вращения по мере роста температуры, плавно снижают скорость, когда схема начинает остывать, и, наконец, останавливаются совсем.

Однако, большинство пропорциональных регуляторов скорости вращения вентиляторов неоправданно сложны, поскольку охлаждение схем – задача далеко не из области точных наук. Предлагаемая на Рисунке 1 схема ничуть не менее эффективна, чем навороченные регуляторы, и много раз с успехом использовалась. Для схемы необходимы только термисторный датчик температуры, MOSFET транзистор, резистор и конденсатор для блюстителей схемотехнической нравственности. Предполагается, что термистор имеет отрицательный температурный коэффициент. Если вы располагаете термистором с положительным коэффициентом, поменяйте его местами с резистором R1.

Простейший пропорциональный регулятор для вентилятора постоянного тока можно сделать на термисторе и MOSFET транзисторе.

При комнатной температуре напряжение на затворе транзистора ниже типового порогового уровня Vgs(th), ток стока отсутствует, и вентилятор выключен. По мере роста температуры, сопротивление термистора падает, напряжение Vgs(th) растет, и транзистор начинает открываться. При достаточно высокой температуре транзистор входит в насыщение, и вентилятор начинает вращаться с максимальной скоростью. Практически получается, что интервал температур, в котором вентилятор из выключенного состояния достигает максимальной скорости, равен приблизительно 5 °C.

Пороговая температура, при которой начинается вращение вентилятора, устанавливается резистором R1. Для примера, пороговое напряжение затвора MOSFET транзистора NTD4959NH фирмы ON Semiconductor равно 2.0 ±0.5 В. Сопротивление RТЕРМ термистора ERTJ1VR103H производства Panasonic при температуре 25 °C имеет типовое значение 10 кОм. Чтобы установить порог 40 °C при напряжении питания вентилятора 12 В, сопротивление резистора должно быть:

Взяв типовое значение Vgs(th) = 2 В и сопротивление термистора при 40 °C RТЕРМ = 5.067 кОм (из справочных данных), находим ближайшее значение в ряду 1% резисторов R1 = 1.00 кОм.

Вследствие технологического разброса пороговых напряжений Vgs(th), температура включения также будет иметь разброс от экземпляра к экземпляру. При небольшом объеме производства проблему можно решить, заменив R1 подстроечным резистором. Но это увеличит цену изделия, поэтому, возможно, вам придется просто смириться с этим фактом.

По счастью, N-канальные MOSFET транзисторы имеют отрицательный температурный коэффициент напряжения порога, что, отчасти, компенсирует последствия разброса Vgs(th). Тем не менее, необходимо убедиться, что разброс температур включения будет приемлем для вашей системы.

Двигаясь в обратном направлении, от крайнего верхнего к крайнему нижнему значению указанного в справочных данных порогового напряжения Vgs(th), рассчитаем диапазон пороговых температур для наихудшего случая:

Каждый электрик должен знать:  Срабатывает УЗО – причины отключения и способы решения проблемы

Vgs(th)мин. = 1.5 В и R1 = 1.00 кОм

Таким образом, вентилятор начнет вращаться при

RТЕРМ = 1.00 кОм × (12 В – 1.5 В)/1.5 В = 7.00 кОм,

что, согласно справочным данным, произойдет при температуре 33 °C. Аналогично, при самом большом пороговом напряжении, вращение вентилятора начнется при сопротивлении термистора 3.80 кОм и температуре 46 °C. Поскольку пороговое напряжение большинства MOSFET транзисторов будет располагаться вблизи середины указанной в справочнике зоны разброса, мы вправе ожидать, что температура включения вентилятора в крупных партиях изделий будет находиться в диапазоне 40 ±3 °C.

Теперь, несколько аспектов, на которые следует обратить внимание. Прежде всего, схема применима только к небольшим вентиляторам постоянного тока. Для больших вентиляторов, или массивов вентиляторов, схема будет неэффективной, а с вентиляторами переменного тока вовсе неработоспособной. Далее, необходимо посмотреть в справочных материалах на вентилятор, способен ли он работать в режиме периодического включения. Как правило, большинство вентиляторов на это рассчитаны. Но иногда требуется, чтобы скорость не падала ниже определенного минимального значения. В таком случае, поставьте резистор параллельно MOSFET транзистору.

И, наконец, нельзя забывать о том, что при средней скорости вращения вентилятора, MOSFET транзистор работает в линейном режиме и может рассеивать значительную мощность. Поскольку такое происходит только при вращении вентилятора, самым простым решением будет размещение транзистора на пути воздушного потока.

Перевод: AlexAAN по заказу РадиоЛоцман

Простой регулятор скорости вентилятора (12В)

Основной проблемой вентиляторов, которые охлаждают ту или иную часть компьютера, является повышенный уровень шума. Основы электроники и имеющиеся материалы помогут нам решить эту проблему своими силами. В этой статье предоставлена схема подключения для регулировки оборотов вентилятора и фотографии как выглядит самодельный регулятор скорости вращения.

Нужно отметить, что количество оборотов в первую очередь зависит от уровня подаваемого на него напряжения. Уменьшая уровень подаваемого напряжения, уменьшается как шум, так и число оборотов.

Схема подключения:

Вот какие детали нам пригодятся: один транзистор и два резистора.

Что касается транзистора, то берите КТ815 или КТ817, также можно использовать мощнее КТ819.

Выбор транзистора зависит от мощности вентилятора. В основном используются простые вентиляторы постоянного тока с напряжением 12 Вольт.

Резисторы нужно брать с такими параметрами: первый постоянный (1кОм), а второй переменный (от 1кОм до 5кОм) для регулировки скорости оборотов вентилятора.

Имея входное напряжение (12 Вольт), выходное напряжение можно регулировать, вращая движковую часть резистора R2. Как правило, при напряжении 5 Вольт или ниже, вентилятор перестает шуметь.

При использовании регулятора с мощным вентилятором советую установить транзистор на небольшой теплоотвод.

Похожие записи:

Вот и все, теперь вы можете собрать регулятор скорости вентилятора своими руками, без шумной вам работы.

ШИМ-регулятор оборотов для вентилятора

Шум, издаваемый вентиляторами в современных компьютерах довольно сильный, и это является достаточно распространенной проблемой среди пользователей. Помочь в снижении шума, издаваемого компьютерными вентиляторами системного блока, может регулятор частоты вращения вентилятора или кулера. В продаже имеются различные регуляторы, имеющие разнообразные дополнительные функции и возможности (контроль температуры, автоматическую регулировку скорости и т.д.).

Схема регулятора оборотов вентилятора.

Схема достаточно простая, и содержит всего три электронных компонента: транзистор, резистор, и переменный резистор.

В схему специально введён постоянный резистор R2, назначение которого ограничить минимальные обороты вентилятора, для того, что бы даже при самых низких оборотах обеспечить его надёжный запуск. Иначе пользователь может поставить слишком низкое напряжение на вентиляторе, при котором он будет продолжать крутиться, но которого будет недостаточно для его запуска при включении.

  • В схеме применен довольно распространенный транзистор КТ815, его несложно приобрести на радио рынке, или даже выпаять из старой советской аппаратуры. Подойдет любой транзистор из серии КТ815, КТ817 или КТ819, с любой буквой в конце.


  • Переменный резистор, применяемый в схеме, может быть совершенно любым, подходящим по габаритам, главное, он должен иметь сопротивление 1кОм.
  • Постоянный резистор может быть любого типа с сопротивлением 1 или 1.2 кОм.

Дополнительно стоит отметить, что если у Вас возникнут трудности с приобретением переменного резистора необходимого сопротивления, то в схеме можно применить переменный резистор R1 сопротивлением от 470 Ом до 4,7 кОм, но при этом придётся изменить и сопротивление резистора R2, оно должно быть таким же, как и у R1.

Монтаж и подключение регулятора скорости.
Монтаж всей схемы осуществляется прямо на ножках переменного резистора, и проводится очень просто:

регулятор оборотов

в разрыв цепи +12В, как показано на рисунке.
Внимание! Если у вашего вентилятора имеется 4 вывода, и их расцветка: черный, желтый, зелёный и синий (у таких плюс питания подаётся по желтому проводу), то регулятор включается в разрыв желтого провода.

Готовый, собранный регулятор оборотов вентилятора устанавливается в любом удобном месте системного блока, например, спереди в заглушке, пятидюймового отсека, или сзади в заглушке плат расширения. Для этого сверлится отверстие, необходимого диаметра для применяемого Вами переменного резистора, далее он вставляется в него и затягивается специальной, идущей с ним в комплекте гайкой. На ось переменного резистора, можно надеть подходящую ручку, например от старой советской аппаратуры.

Стоит заметить, что если транзистор в Вашем регуляторе будет сильно нагреваться (например, при большой потребляемой мощности вентилятором кулера или если через него подключено сразу несколько вентиляторов), то его следует установить на небольшой радиатор. Радиатором может служить кусочек алюминиевой или медной пластины толщиной 2 — 3 мм, длиной 3 см и шириной 2 см. Но как показала практика, если к регулятору подключен обычный компьютерный вентилятор с потребляемым током 0.1 — 0.2 А, то в радиаторе нет необходимости, так как транзистор нагревается совсем незначительно.

Как и почему необходимо управлять скоростью вращения компьютерных вентиляторов

Сменить шрифт на обычный короткая ссылка на новость:
следующая новость | предыдущая новость

Выделение тепла и необходимость его отвода

В последнее время тема использования интегральных схем для контроля скорости вращения вентиляторов в системах активного охлаждения компьютерных комплектующих и прочих электронных систем стала очень актуальна. Вследствие инициатив крупнейших игроков IT-рынка, вентиляторы, применяющиеся для охлаждения разнообразного оборудования более полувека, в последние годы претерпели существенные изменения. В этой статье мы рассмотрим причины и методы данного эволюционного движения.

Сегодняшний вектор развития электроники, особенно направленных на потребительский рынок устройств, задан на создание как можно более функциональных систем в минимально возможном форм-факторе. Это приводит к тому, что на одной и той же площади производители с каждым годом стараются умещать все больше транзисторов для увеличения функциональности и/или производительности чипов. Хорошим примером могут служить ноутбуки и карманные компьютеры, в которых процессорная и графическая мощь лишь возросли при уменьшении геометрических размеров и веса относительно первых представителей соответствующих классов. Естественно, освоение новых, все более тонких и совершенных технологических процессов производства помогает сдержать рост выделяемого при работе подобных полупроводниковых схем тепла, однако необходимость в его эффективном отводе полностью никуда не исчезает. Схожая ситуация возникает и с прочими устройствами, такими, например, как проекторы. Какие бы новые технологии ни внедрялись, без мощного источника света получить качественную картинку невозможно. А для стабильности работы, как и в случае с CPU/GPU и прочими микросхемами, тепло от ламп требуется отводить эффективно и, по возможности, бесшумно.

Действительно бесшумным методом отвода тепла можно считать лишь полностью пассивные системы, состоящие только из радиатора/теплотрубок. К сожалению, область применения таких СО ограничена: потолок по рассеиванию тепловой мощности этих изделий довольно низок, к тому же максимальная эффективность достигается лишь при большой площади рассеивания, а разместить достаточное количество ребер так, чтобы естественный приток воздуха их еще и равномерно омывал, бывает очень сложно, или даже невозможно. Хорошая альтернатива полностью бесшумным пассивным системам – активные кулеры, сочетающие в себе традиционные радиаторы с вентиляторами, создающими направленный воздушный поток. Однако присутствие движущихся частей означает наличие шума от работы. Кроме того, возрастает и общее энергопотребление, что может быть особенно важно при работе устройства от батареи с ограниченным зарядом. Наконец, с точки зрения надежности, добавление еще одного механического устройства несколько снижает общую отказоустойчивость.

Регулятор оборотов вентилятора.

Уже в первых экспериментах с коллекторным моторчиком и батарейкой можно было заметить, что при частом попеременном включении и выключении электромотора частота вращения его ротора изменяется. То есть происходила регулировка скорости вращения путём периодичного включения и отключения тока через моторчик. Если изменять при этом время в подключённом состоянии и длину паузы между подключениями, можно регулировать скорость вращения мотора.

Такой же эффект проявляется практически с любым потребителем электрического тока, имеющим определённую инерцию, т.е. способным запасать энергию.

Каждый электрик должен знать:  Шаговые двигатели

Именно этот эффект положен в основу принципа Широтно-Импульсной Модуляции (ШИМ), также встречается английское сокращение — PWM (Pulse-Width Modulation). Широтно-Импульсная Модуляция — это способ кодирования аналогового сигналa путём изменения ширины (длительности) прямоугольных импульсов несущей частоты. На Рис. 1 синим цветом представлены типичные графики ШИМ сигнала. Так как при ШИМ частота импульсов, а значит, и период (T), остаются неизменными, то при уменьшении ширины импульса (t) увеличивается пауза между импульсами (эпюра «Б» на Рис. 1.) и наоборот: при расширении импульса пауза сужается (эпюра «В» на Рис. 1.). Если сигнал ШИМ пропустить через фильтр низших частот, то уровень постоянного напряжения на выходе фильтра будет определяться скважностью импульсов ШИМ. Назначение фильтра — не пропускать несущую частоту ШИМ. Сам фильтр может состоять из простейшей интегрирующей RC цепи, или же может отсутствовать вовсе, например, если оконечная нагрузка имеет достаточную инерцию. Таким образом, имея в расположении лишь два логических уровня, «единицу» и «ноль», можно получить любое промежуточное значение аналогового сигнала.

Рис.1. Зависимость напряжения от скважности ШИМ.

По принципу вышеизложенного и был разработан регулятор вентилятора. Необходимость в данном устройстве появилась, когда у ребёнка сгорела материнская плата на компьютере и пришлось поставить другую. С другим радиатором и кулером на процессор. Новый кулер был без регулятора оборотов. Для обеспечения тишины работы компьютера пришлось со своего компа снять залмовский регулятор и поставить ребёнку на компьютер, всё лучшее детям 🙂 . Теперь мой вентилятор начал шумно работать, а так как моя материнка без корпуса и просто прибита гвоздём к стенке за монитором (Рис.2.), то создавался дискомфорт при работе за компьютером. С этим надо было что то делать, что-нибудь простое и дешевое. В результате чего и родилась данная схема.

Рис.2. «Материнкой» внешний вид не испортишь.

Схема (Рис. 3.) состоит из стабилизатора на 5В, ключа, на транзисторе ВС547 (при необходимости можно поставить более мощный ключ), и самого процессора управления на PIC12F675 (Можно использовать и PIC12F629, с минимальными изменениями в программе). Управление оборотами производится кнопками S1 (убавить) и S2 (прибавить). При снятии напряжения регулятор запоминает последние выставленные обороты. Подключается регулятор к разъёму вентилятора на материнской плате. Провод оборотов вентилятора сквозной. Так как PIC12F675 имеет АЦП, то можно вместо кнопок установить переменный резистор, изначально я так и делал.

Рис. 3. Схема регулятора.

Печатную плату я не стал разрабатывать, а собрал на макетной плате. Результат на Рис. 4. При доработке регулятора начерчу печатную плату и выложу в дополнение к статье.

Теперь немного о программе. ШИМ организован программно, так как аппаратного модуля ШИМ в данном контроллере нет. После инициализации контроллера программа проверяет в EEPROM значение оборотов, на основе которой производит вычисление ШИМ. Запись в EEPROM производится после нажатия любой из кнопок управления. Чтобы не терзать память, запись в неё производится с задержкой 2-3 сек., когда установится необходимое значение оборотов.

Рис. 4. Внешний вид регулятора.

Как известно контроллер PIC12F675 не имеет интегрированного отладочного модуля. В интернете эти модули иногда ошибочно называют «переходниками». Для отладки данного типа контроллера необходим модуль AC162050. Его конечно в наличии нет, а поотлаживать очень хочется. Я в таких случаях собираю схему на отладочной плате, беру контроллер (в данном случае PIC16F877A), который поддерживает внутрисхемную отладку и пишу программу под оба контроллера одновременно. Вернее сначала под отлаживаемый контроллер (PIC16F877A), а потом изменения для основного (PIC12F675). Для того, чтобы компилятор мог определить под какой контроллер производить компиляцию имеются директивы IFDEF и ENDIF .

Ниже приведён пример конфигурации для разных контроллеров в одной программе. Компилятор сам выбирает нужный кусок, в зависимости от того, какой контроллер указан в MPLab (Configure -> Select Device). Не трудно догадаться под какой контроллер какой кусок программы относится. Строка ErrorLevel -302,-205,-207 является общей, не зависимо какой контроллер установлен.

Приведу ещё один пример инициализации контроллеров. Здесь всё, то же самое. Что находится между директив IFDEF и ENDIF , относится к определённому контроллеру, а всё остальное является общим кодом для обоих контроллеров.

В итоге получается одна программа под два вида контроллеров (можно и больше). Только не забываем указать в MPLab (Configure -> Select Device), необходимый контроллер, под который надо её скомпилировать.

Файлы для скачивания:

Список использованных ресурсов:

Технологии управления скоростью вращения вентиляторов

авно уже прошли те времена, когда в компьютерах использовалось пассивное охлаждение — такие компьютеры были абсолютно бесшумными, но малопроизводительными. По мере роста производительности процессоров и других компонентов ПК росло и их энергопотребление и, как следствие, компоненты ПК становились все более «горячими». Поэтому процессоры стали оснащать массивными радиаторами, а вскоре к ним добавились и вентиляторы, то есть пассивное охлаждение процессоров уже не могло обеспечить требуемый теплоотвод для поддержания надлежащей температуры, из-за чего стали использовать воздушное охлаждение. По мере роста тактовых частот процессоров увеличивалась эффективность теплоотвода, что достигалось за счет более массивных радиаторов и более быстрых вентиляторов.

Повышение максимальной скорости вращения вентиляторов влекло за собой рост уровня создаваемого ими шума. Известно, что при увеличении скорости вращения вентилятора от значения N1 до N2 уровень создаваемого им шума возрастает от значения NL1 до NL2, причем:

Предположим, требуется увеличить скорость вращения вентилятора на 10%. При этом на 2 дБ увеличится и уровень шума, создаваемого вентилятором. Зависимость изменения уровня шума вентилятора от нормализованной скорости вращения показана на рис. 1.

Рис. 1. Зависимость изменения уровня шума (DNL) вентилятора от нормализованной скорости вращения (N2/N1)

Не менее остро, чем проблема охлаждения процессоров, стоит проблема снижения уровня шума. Идеи, заложенные в технологии энергосбережения и снижения тепловыделения, можно использовать и для снижения уровня шума систем охлаждения. Поскольку тепловыделение (и, следовательно, температура) процессора зависит от его загрузки, а при использовании технологий энергосбережения — и от его текущей тактовой частоты и напряжения питания, в периоды слабой активности процессор остывает. Соответственно нет необходимости постоянно охлаждать процессор с одинаковой интенсивностью, то есть интенсивность воздушного охлаждения, определяемая скоростью вращения вентилятора кулера процессора, должна зависеть от текущей температуры процессора.

Существует два основных способа динамического управления скоростью вращения вентиляторов, реализуемых на современных материнских платах: управление по постоянному току и управление с использованием широтно-импульсной модуляции напряжения.

Управление по постоянному току

ри технологии управления по постоянному току (Direct Current, DC) меняется уровень постоянного напряжения, подаваемого на электромотор вентилятора. Диапазон изменения напряжения составляет от 6 до 12 В и зависит от конкретной материнской платы. Данная схема управления скоростью вращения вентилятора довольно проста: контроллер на материнской плате, анализируя текущее значение температуры процессора (через встроенный в процессор термодатчик), выставляет нужное значение напряжения питания вентилятора. До определенного значения температуры процессора напряжение питания минимально, и потому вентилятор вращается на минимальных оборотах и создает минимальный уровень шума. Как только температура процессора достигает некоторого порогового значения, напряжение питания вентилятора начинает динамически меняться, вплоть до максимального значения в зависимости от температуры. Соответственно меняются скорость вращения вентилятора и уровень создаваемого шума (рис. 2).

Рис. 2. Реализация динамического управления скоростью вращения вентилятора кулера процессора при изменении напряжения питания

Рассмотренная технология реализована на всех современных материнских платах — как процессоров Intel, так и процессоров AMD. Для ее реализации необходимо установить соответствующую схему управления в BIOS материнской платы и использовать трехконтактный вентилятор (отметим, что большинство процессорных кулеров являются именно трехконтактными): два контакта — это напряжение питания вентилятора, а третий контакт — сигнал тахометра, формируемый самим вентилятором и необходимый для определения текущей скорости вращения вентилятора. Сигнал тахометра представляет собой прямоугольные импульсы напряжения, причем за один оборот вентилятора формируется два импульса напряжения. Зная частоту следования импульсов тахометра, можно определить скорость вращения вентилятора. Например, если частота импульсов тахометра равна 100 Гц (100 импульсов в секунду), то скорость вращения вентилятора составляет 50 об./с, или 3000 об./мин.

Управление с использованием широтно-импульсной модуляции напряжения

льтернативной технологией динамического управления скоростью вращения вентилятора кулера процессора является широтно-импульсная модуляция (Pulse Wide Modulation, PWM) напряжения питания вентилятора. Идея здесь тоже проста: вместо изменения амплитуды напряжения питания вентилятора напряжение подают на вентилятор импульсами определенной длительности. Амплитуда импульсов напряжения и частота их следования неизменны, и меняется только их длительность, то есть фактически вентилятор периодически включают и выключают. Подобрав частоту следования импульсов и их длительность, можно управлять скоростью вращения вентилятора. Действительно, поскольку вентилятор обладает определенной инертностью, он не может мгновенно ни раскрутиться, ни остановиться (рис. 3).

Рис. 3. Реакция вентилятора на импульс напряжения

Если длительность импульса напряжения (Ton) меньше характерного времени раскрутки вентилятора (Ton >>>>>>>>>>

Добавить комментарий