Компактні електричні вентилятори, завдяки невисокій ціні, використовуються для охолодження обладнання вже більше півстоліття. Проте тільки в останні роки технології управління вентиляторами стали значно розвиватися. У цій статті описано як і чому це розвиток мало місце бути і запропоновані деякі корисні рішення для розробників.
Один із трендів електроніки - це створення компактних пристроїв, що володіють багатою функціональністю. Тому більшість електронних компонентів набувають все менші розміри. Один з очевидних прикладів - сучасні ноутбуки. Товщина і вага ноутбуків значно зменшується, але споживана потужність залишається незмінною або збільшується. Інший приклад - проекційні системи і телевізійні ресивери.
У ноутбуках велика частина тепла виділяється процесором, в проекторі - джерелом світла. Це тепло необхідно безшумно і ефективно видаляти з системи. Самий тихий спосіб позбавлення від тепла - це використання пасивних охолоджуючих компонентів, таких як радіатори або теплові трубки. Однак для багатьох популярних призначених для користувача пристроїв такий спосіб неефективний і доріг.
Інший спосіб видалення тепла - це активне охолодження з використанням вентиляторів, що створюють потік повітря навколо нагріваються компонентів. Однак вентилятор є джерелом шуму і, крім того, збільшує сумарне енергоспоживання пристрою, що може бути критично при харчуванні від акумулятора. Також додавання вентилятора збільшує кількість механічних компонентів в системі, що негативно позначається на надійності вироби.
Контроль швидкості обертання вентилятора дозволяє зменшити описані недоліки. Оскільки запуск вентилятора на менших оборотах знижує шум і енергоспоживання і збільшує термін його служби.
Існує кілька типів вентиляторів і способів їх контролю. Один з варіантів класифікації вентиляторів може бути таким:
1. 2-х провідні вентилятори
2. 3-х провідні вентилятори
3. 4-х провідні вентилятори
Методи управління вентиляторами, які у цій статті, такі:
1. управління відсутній
2. on / ff управління
3. лінійне управління
4. низькочастотна широтно-імпульсна модуляція (ШІМ, PWM)
5. високочастотне управління
2-х провідні вентилятори мають тільки висновки харчування - плюс і земля. У 3-х провідних вентиляторах додається тахометричних вихід. На цьому виході присутній сигнал, частота якого пропорційна швидкості обертання вентилятора. 4-х провідні вентилятори, крім висновків харчування і тахометричного виходу, мають вхід управління. На цей вхід подається ШІМ сигнал і ширина імпульсу цього сигналу визначає швидкість обертання вентилятора.
2-х дротовими вентиляторами можна управляти регулюючи напруга живлення або шпаруватість ШІМ сигналу. Однак без тахометричного сигналу неможливо зрозуміти на скільки швидко вентилятор обертається. Така форма управління швидкістю обертання вентилятора називається відкритим контуром (open-loop).
3-х провідними вентиляторами можна управляти аналогічним чином, але в цьому випадку у нас є зворотний зв'язок. Можна аналізувати тахосігнал і встановлювати необхідну швидкість. Така форма управління називається закритим контуром (Closed-loop).
Якщо управляти вентилятором регулюючи напруга живлення, тахосігнал матиме форму меандру. І в цьому випадку тахосігнал буде завжди валідним, поки на вентиляторі є напруга. Такий сигнал показаний на малюнку 1 (ideal tach).
При управлінні вентилятором за допомогою ШІМ - ситуація складніша. Тахометричних вихід вентилятора зазвичай являє собою відкритий колектор. Тому тахосігнал буде дійсним тільки при наявності напруги на вентиляторі (on фаза ШІМ сигналу), а при відсутності (off фаза) він буде підтягуватися до високого логічного рівня. Таким чином тахосігнал стає "порубаним" керуючим ШІМ сигналом і по ньому вже не можна достовірно визначати швидкість обертання. Цей сигнал показаний на малюнку 1 (tach).
Малюнок 1. Ідеальний тахосігнал і тахосігнал при зовнішньому ШІМ управлінні.
Для вирішення даної проблеми, необхідно періодично включати вентилятор на такий відрізок часу, який дозволить отримати кілька достовірних циклів тахосігнала. Такий підхід реалізований в деяких контролерах фірми Analog Device, наприклад в ADM1031 і ADT7460.
4-х провідні вентилятори мають ШІМ вхід, який керує комутацією обмоток вентилятора до плюсової шині джерела живлення. Така схема управління не псує тахосігнал, на відміну від стандартної, де використовується зовнішній ключ і комутується негативна шина. Перемикання обмоток вентилятора створює комутаційний шум. Щоб "зрушити" цей шум за межі звукового діапазону частоту ШІМ сигналу зазвичай вибирають більше 20 кГц.
Ще одна перевага 4-х провідних вентиляторів - це можливість завдання низькій швидкості обертання - до 10% від максимальної швидкості. На малюнку 2 показана різниця між 3-х і 4-х провідними вентиляторами.
Малюнок 2. 3-х і 4-х провідні вентилятори
управління відсутній
Найпростіший метод управління вентилятором - відсутність будь-якого управління взагалі. Вентилятор просто запускається на максимальній швидкості і працює весь час. Переваги такого управління - гарантоване стабільне охолодження і дуже прості зовнішні ланцюга. Недоліки - зменшення терміну служби вентилятора, максимальне енергоспоживання, навіть коли охолодження не потрібно, і безперервний шум.
On / off управління
Наступний найпростіший метод управління - термостатичний або on / off. В цьому випадку вентилятор включається тільки тоді, коли потрібне охолоджування. Умова включення вентилятора встановлює користувач, зазвичай це якесь порогове значення температури.
Відповідний датчик для on / off управління - це ADM1032. Він має вихід THERM, який управляється внутрішнім компаратором. У нормальному стані на цьому виході високий логічний рівень, а при перевищенні порогового температурного значення він переключається на низький. На малюнку 3 показаний приклад ланцюга з використанням ADM1032.
Малюнок 3. Приклад on / off управління
Недолік on / off контролю - це його обмеженість. При включенні вентилятора, він запускається на максимальній швидкості обертання і створює шум. При виключенні він повністю зупиняється і шум теж припиняється. Це дуже помітно на слух, тому з точки зору комфорту такий спосіб управління далеко не оптимальний.
лінійне управління
При лінійному управлінні швидкість обертання вентилятора змінюється за рахунок зміни напруги харчування. Для отримання низьких оборотів напруга зменшується, для отримання високих збільшується. Звичайно, є певні межі зміни напруги харчування.
Розглянемо, наприклад, вентилятор на 12 вольт. Для запуску йому потрібно не менше 7 В і при цьому напрузі він, ймовірно, буде обертатися з половинною швидкістю від свого максимального значення. Коли вентилятор запущений, для підтримки обертання потрібно вже меншу напругу. Щоб уповільнити вентилятор, ми можемо знижувати напругу харчування, але до певної межі, припустимо, до 4-х вольт, після чого вентилятор зупиниться. Ці значення будуть відрізнятися в залежності від виробника, моделі вентилятора і конкретного екземпляра.
5-й вольтові вентилятори дозволяють регулювати швидкість обертання в ще меншому діапазоні, оскільки їх стартову напругу близько до 5 В. Це принциповий недолік даного методу.
Лінійне управління вентилятором можна реалізувати на мікросхемі ADM1028. Вона має керуючий аналоговий вихід, інтерфейс для підключення діодного температурного датчика, який зазвичай використовується в процесорах і ПЛІС, і працює від напруги 3 - 5.5 В. На малюнку 4 показаний приклад схеми для реалізації лінійного управління. Мікросхема ADM1028 підключається до входу DAC.
Малюнок 4. Схема для реалізації лінійного управління 12-і вольта вентилятора
Лінійний метод управління тихіше, ніж попередні. Однак, як ви могли помітити, він забезпечує маленький діапазон регулювання швидкості обертання вентилятора. 12-та вольт вентилятори при напрузі живлення від 7 до 12 В, дозволяють встановлювати швидкість обертання від 1/2 від максимуму до максимальної. 5-й вольтові вентилятори при запуску від 3,5 - 4 В, обертаються практично з максимальною швидкістю і діапазон регулювання у них ще менше. Крім того, лінійний метод регулювання не оптимальний з точки зору енергоспоживання, тому що зниження напруги живлення вентилятора виконується за рахунок розсіювання потужності на транзисторі (дивись малюнок 4). І останній недолік - відносна дорожнеча схеми управління.
Найбільш популярний метод управління швидкістю обертання вентилятора - це ШІМ управління . При такому методі управління вентилятор підключається до мінус шині харчування через ключ, а на керуючий вхід ключа подається ШІМ сигнал. В даному випадку до вентилятора завжди докладено або нульове, або робоча напруга живлення і не виникає таких енерговитрат, як при лінійному методі управління. На малюнку 5 показана типова схема реалізує ШІМ управління.
Малюнок 5. ШІМ управління.
Перевага даного методу управління - простота реалізації, дешевизна, ефективність і широкий діапазон регулювання швидкості обертання. Однак недоліки у цього методу теж є.
Один з недоліків ШІМ управління - це "псування" тахосігнала. Цей недолік можна усунути, використовуючи так звану pulse stretching техніку, тобто подовжуючи імпульс ШІМ сигналу на кілька періодів тахосігнала. Звичайно, при цьому швидкість обертання вентилятора може трохи збільшиться. На малюнку 6 показаний приклад.
Малюнок 6. Подовження імпульсу для отримання інформації про швидкість обертання.
Інший недолік ШІМ управління - це комутаційний шум. По-перше комутація індуктивного навантаження викликає поява перешкод в ланцюгах харчування, по-друге може виникати акустичний шум - пищание, дзижчання. Електричні шуми пригнічують фільтрами, а для боротьби з акустичний шумом частоту ШІМ сигналу піднімають до 20 кГц.
Також варто знову згадати про 4-х провідних вентиляторах, в яких схема управління вже вбудована. У таких вентиляторах комутується плюсова шина харчування, що допомагає уникнути проблем з тахосігналом. Одна з мікросхем, призначених для реалізації ШІМ управління 4-х провідними вентиляторами, - це ADT7467. Умовна схема приведена на малюнку 7.
Малюнок 7. Схема ШІМ управління 4-х провідним вентилятором
Підводячи підсумки можна сказати, що найкращий метод управління вентилятором - це високочастотне ШІМ управління, реалізоване в 4-х провідних вентиляторах. При такому управлінні відсутній акустичний шум, значні втрати енергії і проблеми з тахосігналом. Крім того, він дозволяє змінювати швидкість обертання вентилятора в широкому діапазоні. Схема ШІМ управління з комутацією негативною шини володіє практично тими ж достоїнствами і є більш дешевою, але псує тахосігнал.
За матеріалами фірми AnalogDevices .
