Sterownik wentylatora

Idea jaka przyświeca prezentowanemu układowi jest taka by regulował on pracę wentylatora zamontowanego na radiatorze końcówki mocy wzmacniacza audio w miarę potrzeb termicznych (w zależności do temperatury końcówki mocy/radiatora). Przy niskich wzmocnieniach szum wentylatora pracującego na radiatorze może stać się uciążliwy. Rozwiązaniem problemu jest odpowiednia regulacja pracy wentylatora - taka by w odpowiednim momencie obracał się z na tyle małą prędkością by nie powodować uciążliwego szumu (lub pozostawał wyłączony) ale także (gdy będzie to potrzebne przy większych wzmocnieniach) mógł chłodzić radiator z odpowiednią wydajnością (wtedy dźwięk będzie na tyle głośny, że szum wentylatora będzie niesłyszalny)Poniżej prezentuję schemat ideowy regulatora wentylatora:



Przedstawiony układ realizuje analogową regulację prędkości obrotowej wentylatora (napięcia na nim) w zależności od temperatury.

Do pomiaru temperatury został wykorzystany krzemowy czujnik KTY81-110 (dokumentacja dostępna m.in. http://zefiryn.tme.pl/DOK/INNE/KTY81.pdf ). Jest to układ dwukońcówkowy, którego rezystancja jest zależna od temperatury. Ponieważ zależność ta nie jest liniowa w dokumentacji w tabeli zestawiono wartości rezystancji dla różnych temperatur.

W układzie tym wykorzystano układ podwójnego wzmacniacza LM358. Jako element wykonawczy (sterujący wentylatorem) zastosowany jest tranzystor BUZ11 (można użyć innego z kanałem typu n - np. IRF540; wybór tranzystora BUZ11 był podyktowany jego rozsądną ceną i niską rezystancją w stanie włączenia, co przy maksymalnej prędkości obrotowej wentylatora minimalizuje ilość ciepła wydzieloną na nim). Tranzystorem tym steruje wzmacniacz operacyjny U2A. Dzięki temu, że zastosowany układ LM358 jest w stanie sprowadzić napięcie wyjściowe do potencjału masy (nie osiągnie on jednak górnego napięcia zasilania) może on wyłączyć zupełnie tranzystor, a więc zatrzymać wentylator.

Ponieważ wentylator pracuje prawidłowo dopiero od pewnego napięcia zasilania około 5V zastosowany został układ progowego włączenia wykonany na wzmacniaczu U2B. Rezystor Rh wprowadza pewną histerezę do układu żeby uniknąć ciągłego włączania i wyłączania wentylatora przy temperaturze progowej.

Analizując działanie układu przyjmijmy, że temperatura jest na tyle niska, ze wentylator nie pracuje. Dopóki napięcie na wejściu odwracającym wzmacniacza jest wyższe niż na wejściu nieodwracającym (a więc rezystancja czujnika jest mniejsza niż progowa rezystancja włączenia Ron), to na wyjściu będziemy mieli potencjał masy. Dioda sygnalizująca pracę wentylatora pozostaje wygaszona, a wejście nieodwracające układu U2A będzie podłączone do masy poprzez diodę D1, co da na wyjściu tego wzmacniacza napięcie zerowe, a więc doprowadzi do zatkania tranzystora i wyłączenia wentylatora. Po przekroczeniu rezystancji progowej Ron czujnika, napięcie na wejściu odwracającym U2B stanie się niższe od tego na wejściu nieodwracającym i napięcie na wyjściu osiągnie maksymalną wartość ok. 10V (ze względu na cenę stosowanie wzmacniacza rail-to-rail jest bezcelowe, dodany został rezystor Rsc szeregowo z czujnikiem, aby przesunąć napięcia wejściowe układu w okolice środka zasilania - umożliwia to przełączanie diodą D1). Doprowadzi to do zaświecenia diody LED oraz "odłączenia" tego wyjścia (poprzez diodę D1) od wejścia nieodwracającego U2A. W efekcie napięcie sterujące tranzystorem Q1 będzie zależne od temperatury, oraz rezystorów dzielnika R4, R5 i ujemnego sprzężenia zwrotnego R6 (tranzystor odwraca fazę, więc pętla sprzężenia zamknięta musi być do wejścia nieodwracającego wzmacniacza). Ze wzrostem temperatury rośnie rezystancja czujnika, więc maleje napięcie na wejściu odwracającym U2A, zwiększając napięcie wyjściowe sterujące tranzystorem. Ze wzrostem napięcia bramki maleje napięcie drenu, więc rośnie spadek napięcia na wentylatorze i rosną jego obroty. Przy spadku temperatury dioda D1 jest spolaryzowana zaporowo, aż do osiągnięcia przez czujnik rezystancji Roff, przy której nastąpi wyłączenie wentylatora.

Należy pamiętać o konieczności stosowania radiatora dla tranzystora, ponieważ przy małych prędkościach obrotowych spadek napięcia na nim wynosi około 7V, co daje znaczną moc wydzielaną w postaci ciepła.

Dla ułatwienia doboru elementów dzielników i sprzężeń opracowany jest arkusz kalkulacyjny (załącznik). W tabeli zebrane są wartości rezystancji czujnika dla różnych temperatur (przepisane z dokumentacji) oraz obliczone przy zadanych wartościach elementów napięcia panujące na wentylatorze. Uzas to napięcie zasilające układ, oznaczenia rezystorów zgodne są ze schematem (tylko te które widnieją na schemacie należy zmieniać), Uoutmin to napięcie minimalne na wyjściu wzmacniacza operacyjnego (dla LM358 jest to około 50mV, Uoutmax to napięcia maksymalne na tym wyjściu (dla LM358 około 2V niższe niż zasilania) - przy użyciu innego wzmacniacza należy skorygować te napięcia według jego dokumentacji lub wykonać pomiary. Ron jest rezystancją czujnika, przy której nastąpi załączenie wentylator, a Roff rezystancja, przy której nastąpi jego wyłączenie (różnica tych wartości zależy od sprzężenia zwrotnego Rh oraz napięć min i max na wyjściu wzmacniacza). Dla tych wartości z tabeli możemy odczytać dla jakich temperatur nastąpi załączenie/wyłączenie oraz jakie wtedy będą panować napięcia na wentylatorze.

Poniższy wykres jest poglądową charakterystyką pracy omawianego sterownika (napięcie na wentylatorze w funkcji temperatury czujnika):



Układ został zaprojektowany aby umożliwiać wykorzystanie większej ilości wentylatorów jednocześnie, jednak wszystkie podłączone do układu wentylatory będą sterowane jednakowo, a temperatura będzie "odczytywana" z jednego punktu. Całkowity maksymalny pobór prądu podłączonych wentylatorów nie może przekraczać 30A (w przypadku trasnzystora BUZ11). Trzeba także pamiętać by pobór prądu nie przekroczył wydajności prądowej zasilacza. Nie można też przesadzić z ilością wentylatorów, bo się może okazać, że układ będzie musiał chłodzić własny radiator na tranzystorze . Wentylatory muszą być połączone równolegle.

Poniżej przedstawiam rysunek ścieżek płytki drukowanej (widok od strony elementów). Całe urządzenie mieści się na laminacie o wymiarach 30x32 mm. Tak mała płytka powinna ułatwić zainstalowanie układu nawet w urządzeniach gdzie miejsca na dodatkowe elementy jest naprawdę mało.





Kolejność montażu elementów sterownika na płytce jest w zasadzie nieistotna, jednak dla wygody montażu sugeruję wlutować najpierw rezystory i diodę D1, potem układ scalony i kondensator. W następnej kolejności przylutować przewody czujnika i diody LED oraz na końcu tranzystor.

Spis elementów:

R1...R6, Rh, Rsc: zgodnie z wartościami ustalonymi w arkuszu kalkulacyjnym
R7: 1,2kOhm
C1: 100nF (monolityczny)
D1: 1N4148
Q1: BUZ11
U1: LM358
LED: dowolna dioda LED
Czujnik temperatury: KTY 81-110

Podłączenie gotowego układu jest niezwykle proste. Do wejścia 12V na płytce podłączamy zasilanie uważając by zachować odpowiednią polaryzację. Do wyjścia Out podłączamy wentylator(y) także bacząc na odpowiednie podłączenie. Czujnik temperatury przymocowujemy do radiatora jego płaską powierzchnią. Można to zrobić na wiele sposobów:
- przykleić klejem o dobrej przewodności cieplnej
- nawiercić otwór w radiatorze i umieścić w nim czujnik (w razie potrzeby przykleić)
- poprzez sam docisk czujnika do radiatora (np. blaszką mocowaną wkrętami - przy tej metodzie uważajmy by nie uszkodzić mechanicznie czujnika)
- wymyślić własną metodą gwarantującą dobre przewodnictwo cieplne ze źródła ciepła do czujnika

Dla prawidłowej pracy układu czujnik powinien znajdować się możliwie blisko samego elementu będącego źródłem ciepła. Nic nie stoi na przeszkodzie by przykleić czujnik do blaszki mocującej samej końcówki mocy. W ten sposób odczyt temperatury będzie związany z temperaturą końcówki mocy, a nie radiatora.

Warto także dodać na koniec, że układ ten może być z powodzeniem wykorzystany przez zwolenników wyciszania komputera. Po odpowiednim ustawieniu punktów pracy sterownika (niższe temperatury) można śmiało go zastosować do sterowania wentylatorem zasilacza komputerowego. Niewątpliwie (z ciekawości) sam w najbliższej przyszłości zrobię taką próbę. Ponadto przy odrobinie inwencji własnej można układ ten przerobić na potencjometr dużej mocy - do tej pory jednak nie rozpatrywałem takiej możliwości więc nie ręczę za sprawne działanie modyfikacji zmierzającej w tym kierunku.

Załączam także pliki *.pdf zawierające schemat ideowy i rysunek ścieżek płytki w skali 1:1.

Mam nadzieję, że to proste urządenie niektórym z Was się przyda

Pozdrawiam
Quester