Л. Ванюшина, г. Уфа
Добре відомі пристрої управління частотою обертання вентилятора примусового обдування в залежності від температури тепловідведення потужних напівпровідникових приладів, але всі вони мають напруга живлення, рівне номінальному робочій напрузі вентилятора.
У широко поширених безколекторних вентиляторів це переважно 12 Вольт. Для УМЗЧ характерно харчування значно більшим напруженням, до того ж воно зазвичай змінюється в помітних межах. Автор пропонує пристрій, нормально працює в цих умовах.
Пропонований пристрій забезпечує плавне регулювання частоти обертання вентилятора в залежності від температури охолоджуваного об'єкта і допускає будь-яку напругу живлення від 12 до 50 Вольт. Максимальна напруга на вентиляторі не залежить від напруги живлення і в усьому інтервалі регулювання не перевищує 12 Вольт. Якщо температура об'єкта менше встановленого порогу, вентилятор вимкнений, при його перевищенні вентилятор включений.
Регулятор частоти обертання вентилятора. Схема принципова.
Мінімальна напруга на ньому у включеному стані - 4 В. Ефективність обдування в цьому випадку - близько 10% максимальної. При зростанні температури напруга на вентиляторі лінійно збільшується до 12 Вольт.
Плавне регулювання зберігається і при напрузі живлення менше 12 В (до 8 В), але максимальна напруга на вентиляторі, природно, не перевищить напруги харчування. Гістерезису в характеристиці управління немає, при зменшенні температури напруга на вентиляторі змінюється в зворотному напрямку.
Нахил характеристики регулювання залишається незмінним, він залежить від чутливості застосованого терморезистора. Інтервал лінійного регулювання напруги на вентиляторі - близько 10 ° С.
Схема пристрою представлена на малюнку. Датчиком температури служить терморезистор RK1 з негативним ТКС, напруга з якого подано на вхід AN0 АЦП мікроконтролера DD1. На вхід AN1 цього АЦП через дільник R3R4 подано напругу, пропорційне напрузі харчування. Вимірювання напруги на цих входах відбувається по черзі з періодом близько 0,5 с.
При перевищенні порогового значення температури, коефіцієнт заповнення імпульсів на виході РСР1 стрибком збільшиться від 0 до 1/3 (при напрузі живлення 12 В). Це гарантує впевнене рушання електродвигуна вентилятора. Надалі коефіцієнт заповнення імпульсів на виході РСР1 мікроконтролера прямо пропорційний різниці між граничним і поточним значеннями опору терморезистора і обернено пропорційний напрузі харчування.
Мікросхема DA1 стабілізує напруга живлення мікроконтролера, а тактірован він від внутрішнього RC-генератора частотою 8 МГц. Період керуючих вентилятором імпульсів обраний рівним 19,5 мкс, це компроміс між плавністю регулювання і габаритами дроселя L1.
Через емітерний повторювач VT2VT3 імпульси управління надходять на затвор польового транзистора VT4, що утворює разом з діодом VD2, дроселем L1 і конденсатором С7 понижуючий імпульсний перетворювач напруги.
Щоб використовувати пристрій для управління обдувом теплоотводов транзисторів вихідний щаблі УМЗЧ, воно доповнено простим однополуперіодним випрямлячем вихідної напруги УМЗЧ. Випрямлена напруга надходить на вхід AN3 АЦП мікроконтролера. Терморезистор в цьому випадку бажано розташувати в повітряної "тіні" і закріпити на тепловідвід так, щоб забезпечити хороший тепловий контакт між ними.
Вентилятор буде включатися, коли вихідний сигнал УМЗЧ більше порогового рівня, і вимикатися в музичних паузах. Якщо цього не потрібно, вузол, обведений на схемі штрихпунктирной лінією, можна виключити, а висновок 3 мікроконтролера з'єднати з його висновком 1.
Застосовано терморезистор JSR153J5SB опором 15 кОм при 25 ° С, але можна використовувати практично будь-які терморезистори з негативним ТКС, наприклад, ММТ-1 або MF55. Переважно, щоб опір терморезистора при 25 ° С знаходилося в інтервалі 2 ... 20 кОм.
Плавне регулювання порога включення не передбачена, він залежить від опору резистора R1, яке має дорівнювати опору терморезистора RK1 при бажаної температурі включення вентилятора. Для зазначених на схемі номіналів R1 і RK1 порогова температура - 45 ° С. Від ТКС терморезистора або його чутливості залежить ширина зони лінійного регулювання напруги в залежності від температури.
Транзистори КТ3117А і КТ313А можна замінити іншими транзисторами відповідно структури n-р-n і р-n-р з імпульсним колекторним струмом не менше 200 mA і граничною частотою більше 10 МГц, FDS3672 - іншим n-канальним польовим транзистором з ізольованим затвором з малим пороговим напругою (керованим логічними рівнями), максимальною напругою стік-витік не менше 70 В і малим опором відкритого каналу.
При напрузі живлення не вище 24 В можна використовувати поширені польові транзистори IRD105N03L, IRD06N03L, а якщо застосувати транзистор з зарядом затвора, що не перевищує 10 нКл, наприклад, IRLL024N, SI4812BDY, то його затвор можна з'єднати з висновком 5 мікроконтролера через резистор опором 100 Ом. Емітерний повторювач в цьому випадку не потрібен. Ємність затвора таких транзисторів не перевищує 800 ... 1000 пФ.
До речі, є простий метод оцінки порогового напруги польових транзисторів з ізольованим затвором, якщо воно не перевищує 3 В. Для цього достатньо з'єднати затвор n-канального транзистора з його стоком і підключити до цього ланцюга позитивний щуп цифрового мультиметра, переключено в режим "прозвонки" діодів . Можна і перемкнути висновки щупом.
Негативний щуп підключають до висновку витоку. Мультиметр покаже напругу, яке можна вважати приблизно рівним пороговому. Цей спосіб добре працює на трёхразрядних мультиметр. Для p-канальних транзисторів полярність підключення щупів зворотна.
Індуктивність дроселя L1 повинна бути достатньою, щоб аж до мінімального струму навантаження він не виходив з безперервного режиму струму. Тільки в цьому режимі залежність вихідної напруги від коефіцієнта заповнення імпульсів управління залишається лінійною. Індуктивність дроселя розраховують за формулою
\ [L \ ge T \ cdot \ left. {\ Left ({1 - \ frac {{Uout. \ Min}} {{Uin. \ Max}}} \ right.} \ Right) \ cdot \ frac {{Uout. \ Min}} {{2 \ cdot In. \ min}} \]
де T - період повторення імпульсів; U out.min - мінімальна вихідна напруга; U in.max - максимальна вхідна напруга; I n.min - мінімальний струм навантаження. У комп'ютерних вентиляторів типорозміру 80x80 мм при напрузі живлення 4 В споживаний струм - близько 50 мА. Отже, потрібен дросель індуктивністю 676 мкГн.
У обраного дроселя RCH-895NP-681K індуктивність - 680 мкГн, допустимий струм - 270 мА (при перегріванні на 20 ° С). Він намотаний на муздрамтеатрі "гантель" діаметром 8 і висотою 9,5 мм. При самостійному виготовленні можна також використовувати кільцевої магнітопровід типорозміру DT50-52C 12,7x7,7x8,51 мм з матеріалу 52 (зелено-блакитного кольору), намотавши на нього 110 витків дроту ПЕВ-2 діаметром 0,35 мм.
Стабілізатор напруги 5 В виконаний на транзисторі VT1 і паралельному інтегральному стабілізаторі DA1. Замість КТ815Г як VT1 може бути використаний будь-який транзистор структури npn середньої потужності з Uке max більше 60 В. Якщо ж інтервал зміни напруги харчування не такий широкий, то для зменшення виділення тепла опір резистора R2 в кілоомах може бути зменшено до розрахованого по формулі
\ [R2 = (Un. \ Min - 5B) / (1,2mA) \]
де U n.min - мінімальна напруга живлення.
Така схема стабілізатора обрана через, що допустимий вхідна напруга широко поширених інтегральних стабілізаторів 78L05 дорівнює 30 В. Якщо відомо, що напруга живлення ніколи не буде перевищувати 28 В, то транзистор VT1, мікросхему DA1, резистори R2, R5 і R6 можна виключити, замінивши весь вузол інтегральним стабілізатором 78L05.
У цьому випадку в якості VD2 краще використовувати діод Шотки, наприклад, SS14, 1N5819. Вентилятор включається і вимикається при звуковому напрузі на роз'ємі XS1 100 ... 150 мВ. При необхідності збільшити цей поріг можна, включивши послідовно з конденсатором С5 резистор. Світлодіод HL1 служить обмежувачем напруги, тут можна встановити будь-який малопотужний світлодіод червоного кольору світіння.
Сигнал на роз'єм XS1 можна подавати і з лінійного виходу 250 мВ УМЗЧ, але в якості VD1 в цьому випадку краще використовувати діод Шотки (BAR32, ВАТ54), тоді поріг виключення складе 20 ... 30 мВ.
Протягом декількох успішних років роботи при напрузі живлення 24 В і вихідній напрузі 11,7 В досягнутий ККД регулятора 84%.
Програма мікроконтролера написана на мові Proton PicBasic. Конфігурація мікроконтролера міститься в FIEX-файлі vent_U_50.hex разом з кодами програми і при програмуванні мікроконтролера встановлюється автоматично.
Програму можна завантажити з нашого файлового архіву: vent-u-50.zip [2,4 кб]