Elektroda.pl
Elektroda.pl
X
Proszę, dodaj wyjątek www.elektroda.pl do Adblock.
Dzięki temu, że oglądasz reklamy, wspierasz portal i użytkowników.

Analogowy regulator obrotów wentylatora

mirley 15 Maj 2018 15:22 5847 22
  • Analogowy regulator obrotów wentylatora

    Witam.

    Dawno nie udzielałem się na forum, ale ostatnio poszedł do produkcji nowy układ i uznałem, iż warto się nim podzielić z innymi. Wiadomo, iż w obecnie budowanych układach elektronicznych często wykorzystuje się systemy aktywnego chłodzenia z wentylatorami. W dobie techniki mikroprocesorowej wentylatory sterowane są przeważnie z mikrokontrolera lub innego specjalizowanego układu, a prędkość obrotowa regulowana jest poprzez PWM. Takie rozwiązanie charakteryzuje się niezbyt dobrą kulturą pracy, może powodować niestabilną pracę wentylatorów, a ponadto generuje bardzo dużo zakłóceń. Aby sprostać wymaganiom, szczególnie w audiofilskiej dziedzinie audio zaprojektowano analogowy regulator obrotów wentylatora. Układ przydaje się przy budowie wzmacniaczy audio z aktywnym systemem chłodzenia i pozwala na płynną regulację obrotów wentylatorów w zależności od temperatury. Wydajność prądowa układu zależy w zasadzie tylko od tranzystora wyjściowego, jednak testy przeprowadzano z prądami wyjściowymi do 1.5A, co pozwala w praktyce podłączyć nawet kilka dużych wentylatorów 12V.

    Układ składa się z dwóch części: wzmacniacza różnicowego i stabilizatora napięcia. Pierwsza cześć zajmuje się pomiarem temperatury i dostarcza napięcia proporcjonalnego do temperatury, gdy przekroczy ona ustalony próg. Napięcie to jest referencją dla stabilizatora napięcia, którego wyjście stanowi zasilanie wentylatorów.

    Analogowy regulator obrotów wentylatora

    Schemat ideowy regulatora obrotów przedstawiono na rysunku powyżej. Sercem układu jest komparator U2 (LM393), pracujący w tej konfiguracji jako zwykły wzmacniacz operacyjny. Pierwsza jego część U2A pracuje jako wzmacniacz różnicowy, którego warunki pracy ustalają rezystory R4-R5 (47k) oraz R6-R7 (220k). Kondensator C10 (22pF) poprawia stabilność wzmacniacza, natomiast R12 (10k) podciąga wyjście komparatora do plusa zasilania.

    Na jedno z wejść wzmacniacza różnicowego podawane jest napięcie referencyjne, które wytwarzane jest przez dzielnik złożony z R2 (6,8k), R3 (680R) i PR1 (500R), a filtrowane za pomocą C4 (100nF). Na drugie wejście tego wzmacniacza trafia napięcie z czujnika temperatury, którym w tym wypadku jest jedno ze złącz tranzystora T1 (BD139), polaryzowane niewielkim prądem za pomocą R1 (6,8k). Kondensator C2 (100nF) został dodany, aby filtrować napięcie z czujnika temperatury. Polaryzację czujnika oraz dzielnika referencyjnego wspomaga stabilizator U1 (78L05) wraz z kondensatorami C1 (1000uF/16V), C3 (100nF) i C5 (47uF/25V), dostarczając napięcia stabilizowanego 5V.




    Komparator U2B pracuje jako klasyczny wzmacniacz błędu. Porównuje on napięcie referencyjne z wyjścia wzmacniacza różnicowego z napięciem wyjściowym dzielonym za pomocą drabinki R10 (3,3k), R11 (47R) i PR2 (200R). Elementem wykonawczym stabilizatora jest tranzystor T2 (IRF5305), którego bramka sterowana jest z dzielnika R8 (10k), R9 (5,1k). Kondensator C6 (1uF) oraz C7 (22pF) i C9 (10nF) poprawiają stabilność pętli sprzężenia zwrotnego. Kondensator C8 (1000uF/16V) nie tylko filtruje napięcie wyjściowe, ale także ma on znaczny wpływ na stabilność układu. Złączem wyjściowym jest tutaj AR2 (TB2), natomiast złączem zasilania AR1 (TB2). Dzięki zastosowaniu tranzystora wyjściowego o małej rezystancji w stanie otwarcia układ wykazuje się bardzo małym spadkiem napięcia rzędu 50mV, przy prądzie wyjściowym 1A, przez co nie wymaga specjalnego zasilacza o wyższym napięcia do sterowania wentylatorami zasilanymi 12V.

    W układzie modelowym zastosowano komparator w roli wzmacniacza U2. Ma to na celu poprawę stabilności pracy stabilizatora wyjściowego, który po zastosowaniu klasycznego wzmacniacza operacyjnego zachowywałby się jak układ trójstopniowy. Układ tego typu bardzo łatwo wchodzi w oscylację, co przekłada się na niestabilność napięcia wyjściowego na poziomie nawet 300mVpp. Komparator w roli U2 daje system dwustopniowy i zachowuje się stabilnie (niestabilność na wyjściu rzędu 20mVpp) po dokonaniu odpowiedniej kompensacji. Pomimo powyższych uwag w większości wypadków w roli U2 można zastosować popularny wzmacniacz operacyjny LM358, godząc się na gorsze parametry wyjściowe.

    Fotografie modelu:

    Analogowy regulator obrotów wentylatoraAnalogowy regulator obrotów wentylatoraAnalogowy regulator obrotów wentylatoraAnalogowy regulator obrotów wentylatora

    Bardzo proszę o opinię

    Pozdrawiam


    Strona domowa projektu: http://mirley.net/analogowy_regulator_obrotow_wentylatora.html

    Załączniki:

    Fajne! Ranking DIY
    Potrafisz napisać podobny artykuł? Wyślij do mnie a otrzymasz pendrive 32GB.
  • #2 15 Maj 2018 18:46
    servgsm
    Poziom 23  

    Duży plus za wykonanie i wiedzę, którą wykorzystałeś w projekcie. Mniej przychylnie (być może niesłusznie) podchodzę do wentylatorów sterowanych przez PWM. Są one wysterowane tak wysoką częstotliwością, że wydaje się im nie szkodzić, a i głośność pracy zależy od danego wentylatora czy jego stopnia zużycia.
    Tu prezentujesz układ liniowego sterowania. Jednak nie nazwałbym go idealnym do zastosowań audiofilskich ze względu na to, że bardziej by tu się przydała praca nieliniowa, a nawet bym odważył się powiedzieć, skokowa aby jak najbardziej wyeliminować szum pochodzący z wentylatora. A niestety, jeśli już musi odprowadzić jakieś ciepło, to musi się włączyć konkretnie. Byle chuchanie na wiele się nie zdaje.

    Dysponuje kolega jakimiś wykresami z pomiaru głośności wentylatorów przy identycznych obrotach z PWM i z tym sterownikiem?

  • #4 15 Maj 2018 21:16
    Bojleros
    Poziom 15  

    Ciekawe rozwiązanie. Ja właśnie poszukiwałem regulatora do wentylatora, którym zamierzam wentylować pawlacz wypełniony pracującą elektroniką. Chciałem zrobić coś cichego jednak działającego z minimalnymi obrotami które w przypadku podniesienia się temperatury powietrza są zwiększane.

    Czy poprzez zmianę PR1 ustalamy temperaturę dla której wentylator zacznie się kręcić a poprzez PR2 wzmocnienie czyli zmianę obrotów dla zmiany temperatury ?
    Jak poprawnie zmierzyć temperaturę powietrza ? Czy LM25 w obudowie TO-92 zamontowany w strumieniu powietrza to dobry pomysł ? TO-92 ma dość małą masę a wyprowadzenia mogą być dłuższe przez co liczę na ograniczenie wpływu temperatury PCB i inercji własnej.

    Pozdrawiam,

  • #5 16 Maj 2018 07:26
    mirley
    Poziom 17  

    Ja akurat mam złe doświadczenia z PWM, może nie zrobiłem tego prawidłowo ale zawsze coś słyszę w głośnikach. Nie mówię tutaj o jakimś przydźwięku który słychać jak przyłoży sie ucho do głośnika ale o realnie słyszanym szumie... Szczególnie sprawa wygląda źle jak próbuje popędzić wentylatory z mikrokontrolera. Zastosowanie układu analogowego załatwiło problem. Pierwszy układ takiego sterowania zastosowałem we wzmacniaczu 500W. Wentylatory w temperaturze pokojowej ledwo się kręcą a przy pełnej mocy tylko nieznacznie zwiększają obroty. W efekcie w ogóle ich nie słychać. Poprzedni układ miał wadę - posiadał zwykły bufor na wyjściu w postaci tranzystora NPN i wymagał zasilania ok 15V dla wentylatora 12V.

    Opisywany układ to stabilizator LDO z PMOSEM więc z powodzeniem działa prawie do maksymalnego zasilania przez co nie wymaga wyższego zasilania niż 12V.

    Niestety nie mam pomiarów odnośnie wprowadzanych zakłóceń przy obecności regulatora liniowego w stosunku do PWM. Przy konstrukcji kolejnego wzmacniacza postaram sie zebrac widma samego szumu i je porównać

    ---------

    Jeśli chodzi o potencjometry to jest dokładnie tak jak napisano. Co do pomiaru temp. powietrza to według mnie zależy jak szybko ta temperatura się zmienia. Jesli ma to być nadmuch o konkretnej temperaturze to po pewnym czasie czujnik osiągnie równowagę termodynamiczną z otaczającym go gazem i będzie ok, jesli temperatura zmienia się szybko to może być problem.

  • #6 16 Maj 2018 09:43
    Pokrentz
    Poziom 21  

    Wydaje mi się, że można by jeszcze spróbować dodać jakieś wyjście na przekaźnik odcinający zasilanie wzmacniacza w momencie przekroczenia temperatury bezpiecznej, kiedy wentylatory już nie wyrabiają z chłodzeniem. Z jakąś histerezą, oczywiście. To rozszerzyłoby zakres użyteczności układu. Ewentualnie układ redukujący moc wzmacniacza.

    No i luźna uwaga - "audiofilskie chłodzenie wymuszone wzmacniacza" to oksymoron... No, chyba, że chłodzenie wodne, przy czym pompka i chłodnica są w innym pomieszczeniu niż odsłuchowe. Chyba, że mówimy o audiofilskim sprzęcie estradowym (kolejny oksymoron).

  • #7 16 Maj 2018 10:30
    szeryf3
    Poziom 15  

    Fajny projekt i fajne wykonanie.

  • #9 16 Maj 2018 12:54
    mirley
    Poziom 17  

    Przekaźnik mógłby być dobrym pomysłem jednak wymagało by to dodanie drugiego komparatora... w moich zabawkach do takiego zabezpieczenia stosuję zwykle wyłączniki termiczne np na 90 stopni, które blokują możliwość ponownego włączenia wzmacniacza aż nie ostygnie... może dlatego o tym nie pomyślałem.

    Z drugiej strony zawsze tak dobieram chłodzenie aby taka sytuacja nigdy nie nastąpiła.

    Co do audiofilskiej dziedziny nie będę się spierał

    -------

    Przy 24V nie powinno być kłopotu, można jedynie stabilizator dać np na 12V do referencji i biasu czujnika i odpowiednio przeliczyć rezystory. Co do 5V stabilizator trzeba dać np na 3.3V i tak samo z rezystorami pokombinować aby zachować poprawne prądy.

    Na pierwszy rzut oka nawet da się zrobić tak iż zasilanie będzie na 12V a wentylator na 5V, z tym że jeśli temperatura urośnie za bardzo to nie ma limitu na zwiększanie napięcia powyżej wyliczonej uprzednio granicy.


    ------

    Płytki zamawiamy w laskarze

  • #10 16 Maj 2018 21:04
    Grzegorz_madera
    Poziom 31  

    Do pełni szczęścia brakuje jeszcze blokady zasilania wentylatora poniżej jego minimalnego napięcia pracy. Bo teraz może się zdarzyć, że przy niskiej temperaturze wiatrak będzie zasilany, ale nie będzie się obracał.

  • #11 16 Maj 2018 21:51
    servgsm
    Poziom 23  

    Pokrentz napisał:
    Wydaje mi się, że można by jeszcze spróbować dodać jakieś wyjście na przekaźnik odcinający zasilanie wzmacniacza w momencie przekroczenia temperatury bezpiecznej, kiedy wentylatory już nie wyrabiają z chłodzeniem.


    Projektanci końcówek mocy dbają o to, żeby zabezpieczać swoje układy przed uszkodzeniem poprzez przegrzanie, nadmierne napięcie itp. itd. Dokładanie do tego zewnętrznych zabezpieczeń to tak jak wożenie zapasowego silnika w aucie.
    Można coś wspomóc, tudzież chłodzenie, ale po co za bezpiecznikiem B16, dokładać kolejny B16?

  • #12 17 Maj 2018 08:45
    mirley
    Poziom 17  

    Co do minimalnego napięcia to też o tym myślałem. Testy wykazały że nawet jeśli wentylator się zatrzyma to i tak nic się nie dzieje. Nie wpływa to negatywnie na wentylator

  • #13 17 Maj 2018 09:08
    tomus2k
    Poziom 23  

    A jakby zamiast złącza tranzystora jako czujnik temperatury wykorzystać LM35 + regulacja z wykorzystaniem jednego wzmacniacza, a dzięki temu wolny wzmacniacz wykorzystać jako termostat do załączania pracy wentylatora dopiero od pewnej temperatury.
    Uzyskamy znaczne uproszczenie układu i "audiofilski" :crazyeyes: start wentylatora dopiero od pewnego progu temp np 50 celc. i dalej regulacje jego mocy dmuchania zależną od temperatury. Co przybliży nas do profesjonalnych rozwiązań.
    O kurcze już ktoś na to wpadł :D Proponuje zobaczyć ostatni schemat z tematu https://www.elektroda.pl/rtvforum/topic1284907.html

    Mamy zupełną ciszę do 50 celc, a potem zależnie od wzrostu temperatury pow 50 celc. załącza się ospale wentylator, aby ok. 85 celc osiągnąć max obrotów.
    Można sobie ustawić dowolnie dwoma potencjometrami.

  • #14 17 Maj 2018 18:23
    Andrzej.krk
    Poziom 5  

    Ciekawy projekt. Posiadam końcówkę DAP P900 i denerwują mnie w niej dość głośne wentylatory. Nawet na zimnej końcówce dają się usłyszeć. Myślę że ten układ będzie zbawieniem :)
    Pozdrawiam !

  • #16 17 Maj 2018 21:27
    leonow32

    Poziom 30  

    Duży plus za edukacyjną wartość projektu, jednak kilku rzeczy muszę się doczepić:
    - Dlaczego tranzystor w roli czujnika temperatury? Nie lepiej wziąć LM35 albo coś ze współczesnych sensorów?
    - 78L05 w układzie służy tylko do zasilania tranzystora/czujnika i jednego dzielnika napięcia, a pozostałe układy są zasilane z niestabilizowanego 12V. Dlaczego nie zastosowałeś jakiegoś źródła napięcia odniesienia? Dlaczego komparatory nie mają stabilizowanego zasilania?
    - Nie rozumiem, dlaczego wzmacniacz operacyjny wchodził w oscylacje, a komparator nie. Jest to raczej problem źle dobranego sprzężenia zwrotnego. To, że komparator nie oscyluje to kwestia przypadku, bo on właśnie po to jest, by się przełączać raz na 1 raz na 0.
    - W momencie odłączenia zasilania mamy na wyjściu kondensator o dużej pojemności. Jeśli nie zostanie od rozładowany przez wentylator, bo np. jest odłączony, to rozładuje się on poprzez wejścia i wyjścia komparatorów, które w tej chwili zasilania nie mają.
    - LM393 to już zabytek. Obecnie mamy tyle nowych wzmacniaczy lepszych pod każdym względem...

  • #17 18 Maj 2018 08:05
    mirley
    Poziom 17  

    Zastanawiałem sie na początku na LM35 ale jego zastosowanie w żadnym wypadku nie wyeliminuje potrzeby pierwszego wzmacniacza bo na tym elemencie wprowadzam offset aby przy temperaturze minimalnej dawało się ustawić dowolne napięcie na wyjściu. Ponadto w momencie projektowania nie miałem na stanie lm35 więc sprawa się rozwiązała, kolejnym powodem była cena - założenie = cena minimalna. Co do propozycji o pracy wentylatora ponad 50 stopni to jest to ciekawy pomysł, do rozważenia przy ewentualnej kolejnej wersji układu - natomiast w tej można to zrealizować dając po prostu mniejsze napięcie wyjściowe dla temperatur poniżej 50 stopni, napięcie będzie płynnie rosło ale wentylator wystartuje jak osiągniemy minimalne napięcie przy temperaturze właśnie 50 stopni.

    --------- odp dla leonow32:

    - zgodnie z tym co już napisałem wyżej, użycie go w tym układzie nic nie wnosi dodatkowego poza ceną

    - 5V stabilizator, wiedziałem że będą z tego powodu pytania :) - przyczyna prosta - jest popularny i każdy go ma w domu, mogłem użyć jakiejś TL431 itp jako referencji ale stabilność tego nie jest aż taka ważna, za to istotne jest aby czymś stabilizować tą referencję bo zasilanie może być większe - w pierwszej wersji wszystko szło bezpośrednio z zasilania. To jest tylko sterownik wentylatorów, dokładność bezwzględna nie jest bardzo krytyczna. Komparatory/Wzmacniacze nie mogą mieć napiecia stabilizowanego bo to oznacza spadek napięcia a chciałem uzyskać rail-to-rail na wyjściu. W przypadku komparatora ma to mniejsze znaczenie ale jak da się opampa to już jest problem z wyjściem do VDD, więc żaden spadek napięcia na zasilaniu nie wchodzi w grę.

    - Stabilność i oscylacje: Sprawa jest bardzo skomplikowana. Po pierwsze wzmacniacz operacyjny od komparatora nie różni się niczym poza kompensacją wewnętrzną, której w komparatorze się nie daje aby uzyskać szybkość. Jeśli damy wzmacniacz operacyjny to każdy który widziałem jest wzmacniaczem dwustopniowym, para różnicowa + jakiś push-pull itp. Jeśli do tego dodam tranzystor wyjściowy w roli wzmacniacza aby zrobić LDO to mam trzeci stopień wzmocnienia i w tym momencie - umarł w butach bo nie da się tego dobrze skompensować bez dostępu do wyjścia pierwszego stopnia wzmacniacza. Kombinacje alpejskie z pojemnościami dały mniej więcej dobre działanie.

    W efekcie dałem komparator, który jest wzmacniaczem jednostopniowym i nie ma żadnej kompensacji dorzuconej a jego wyjście to open-collector. Po dodaniu drugiego tranzystora zrobił się klasyczny wzmacniacz dwustopniowy gdzie T2 to stopień wyjściowy. taki wzmacniacz kompensuje sie dodając C, ewentualnie RC w roli C6 na moim schemacie. Po dorzuceniu tej pojemności pasmo spadło, margines fazy wzrósł i wszystko działa perfekcyjnie stabilnie - nie jest to dziełem przypadku

    - Duży kondensator na wyjściu musi być - rozładuje się on przez wentylator a w momencie jego odpięcia przez rezystory w sprzężeniu zwrotnym, nie widzę tutaj problemu - szczególnie że na wejściu jest ten sam kondensator i wszystko powinno opaść równocześnie - wyjście komparatora to otwarty kolektor, do wejść nie powinno nic wpływać. Poza tym mamy stabilizator i elementy które przejmą na siebie prąd

    - Mamy lepsze komparatory na pewno ale nie są tutaj do niczego potrzebne bo jak pisałem układ ma być prosty tani i sterować wentylatorem a nie stanowić referencji napięciowej.

  • #18 20 Maj 2018 09:01
    Grzegorz_madera
    Poziom 31  

    mirley napisał:
    Co do minimalnego napięcia to też o tym myślałem. Testy wykazały że nawet jeśli wentylator się zatrzyma to i tak nic się nie dzieje. Nie wpływa to negatywnie na wentylator

    Tak, tylko że w Twoim układzie wentylator startuje przy większym napięciu a wyłącza się przy mniejszym. Sprawdziłem kilka wentylatorów i załączają się w okolicach 5V, a wyłączają poniżej 3V. Rozumiem, że ma to niewielkie znaczenie (w sumie nieistotne), chciałem tylko zwrócić uwagę na sam fakt.

  • #19 21 Maj 2018 07:07
    mirley
    Poziom 17  

    Właśnie po to umieszczam na forum swoje opracowania aby dowiedzieć się co można zmienić/ulepszyć. To co dla innych jest w danym układzie ważne, dla mnie może być całkowicie bez znaczenia, bo było to projektowane do konkretnego zastosowania.

    Wracając do wentylatorów to i tak jestem zwolennikiem aby nigdy się nie zatrzymywały a temperatura w obudowie była możliwie stała.

  • #20 21 Maj 2018 11:02
    cooltygrysek
    Warunkowo odblokowany

    Nie do każdego typu wentylatora nadaje się PWM z powodu wspomnianych wyżej zakłóceń. Same wentylatory czasem dużo wprowadzają. Niemniej kiedyś trafiłem na bardzo ciekawy układ TC642 i na nim do dziś buduje regulacje do wentylatorów. Po za płynna regulacją obrotów zależną od temperatury ma ciekawą funkcję. A mianowicie kontrolę i sygnalizację zatarcia, sygnalizację spadku wydajności ( dobre w przypadku zatkania wlotu lub wylotu przez kurz czy zasłonięcie ) oraz pewny rozruch pełna mocą . Dużą zaletą jest fakt że można stosować do tego układu różne tranzystory zarówno dla dodatniej jak i ujemnej szyny zasilającej, można także łączyć wentylatory szeregowo, także zasilanie wentylatorów wyższym napięciem niż sam układ. Z powodzeniem można zasilać także wentylatory na 60V czy 100 V.

  • #21 22 Maj 2018 09:33
    szeryf3
    Poziom 15  

    @cooltygrysek czy możesz się pochwalić schematem?

  • #22 22 Maj 2018 12:20
    tomus2k
    Poziom 23  

    szeryf3 napisał:
    @cooltygrysek czy możesz się pochwalić schematem?

    Czy tak trudno , czwarta odpowiedź google na zapytanie TC642 to :
    Link AVT2664

  • #23 22 Maj 2018 17:04
    cooltygrysek
    Warunkowo odblokowany

    Co prawda więcej wyjaśnia datasheet producenta niż opis z AVT gdyż trzeba pozmieniać rezystory określające minimalną i maksymalna temperaturę a także rezystor pomiarowy wentylatora. Niemniej są wzmianki w opisie z AVT na ten temat. Jednak zastosowanie innych tranzystorów jak ich specyfikację połączenia dla danego wariantu zasilania już pominięto.