Контролер вентиляторів з регулюванням оборотів та плавним пуском своїми руками
Доброго дня! Хочу розповісти про те, як я робив контролер вентиляторів для своєї машини.
Насамперед розповім передісторію даної схеми. У мене в машині із заводу стоїть в'язкомуфта, але після встановлення не рідного двигуна вона не влізла. Довелося ставити електро вентилятор і вибір упав на здвоєні вентилятори від ниви. Підключив їх через реле і датчик ТМ-108. Однак досить швидко з'явилася низка проблем із цим усім: 1) Датчик температури відмовився працювати. Я його поміняв, але через місяць він знову вийшов з ладу. А заміна датчика у мене та ще пісня так як стоїть він у патрубку і щоб його поміняти треба зняти патрубок ті злити ОЖ, а для цього зняти захист ДВС і пильовик. Загалом, я плюнув і поставив кнопку в салоні. Але їздити з кнопкою як ви розумієте так собі задоволення. 2) Другою слабкою ланкою стало реле. За рік я їх поміняв п'ять штук. не витримують (Треба звичайно було два реле поставити на кожен вентилятор окреме реле) Але справа в тому, що схема з реле мені не подобалася в принципі. І тут у наступному пункте. 3) Шум. Вентилятори від ниви дуже шумлять. Я вже ниву в потоці вгадую звуки вентиляторів. А одного разу я приїхав на заправку. заправник довго дивився на машину, а потім відбувся діалог: Заправник: У тебе вентилятори від ниви чи що. Я: Так. Заправник: А зрозуміло. При цьому машину попереду він не бачив, вгадав по звуку. 4) І останнє. При включенні вентилятора світло пригасає, навіть оберти двигуна падають трохи. Пусковий струм у них величезний. Відповідно необхідний як мінімум плавний запуск.
Загалом думав я думав що з усім цим робити та надумав. Потрібен контролер який керуватиме роботою вентиляторів.Функціонал контролер повинен бути наступний: 1) можливість швидкого та простого налаштування під будь-які вентилятори та датчик (Bluetooth та мобільний додаток або USB і Win додаток на ноут ?) 2) робота з будь-якими датчиками 3) робота з будь-якими вентиляторами, ті запас за потужністю 4) плавне регулювання обертів вентилятора 5) відсутність механічних контактів у ланцюгу вентилятора.
Мозок контролера - мікро контролерОчевидно, що без мікроконтролера тут не обійтися. Вибір упав на stm32f103 просто тому, що налагоджувальні плати з ним у мене були в наявності і крім того я знайомий тільки з stm32. AVR із PICами обійшли мене стороною, а ардуїно… надто нудно воно.
Силова частина схемиНаступний момент це вибір силових ключів, очевидно, що єдиний варіант це потужні КМОП транзистори. Вони бувають n-канальні та p-канальні. Причому n-канальні завжди потужніші відсотків на 20-30. Це пов'язано з технологією виготовлення і від цього нікуди не подітися. Найпростіший спосіб використання польових транзисторів це n-канальний транзистор у нижньому плечі, а p-канальний у верхньому плечі. Ті виходить, що т.к. n-канальні польові потужніше, то потрібно створити схему нижнього плеча і все буде добре. Але, увага на малюнок.
Як видно з малюнка у схемі нижнього плеча плюс завжди підключений до навантаження, а комутація відбувається підключенням маси. Мене це не влаштовувало зовсім. Тягти постійний плюс від акумулятора на вентилятори неправильна витівка на мою думку. А брати плюс головного реле чи замку запалювання ідея ще гірша, бо знову будуть проблеми з навантаженням на реле чи контактну групу. Використовувати ж p-канальні польовики все ж таки не хотілося бо граничні струми у них відчутно менше. Такими роздумами я прийшов до пошуку схемивключення n-канального польовика у верхньому плечі. Все виявилося досить просто і придумано до нас (що взагалі не дивно) і так драйвер n-канального польовика верхнього плеча: IR2117:
Подальше завоювання привело мене до схеми накачування бутстрапної ємності за допомогою таймера n555. Ця схема складена інженерами компанії IR. Використовувати її безпосередньо звичайно не варто, по-перше драйвер у нас інший та й навіщо нам зовнішній таймер коли у нас є мікроконтролер.
Вхідний ланцюг сигналу датчика температури
Останнім завданням була обробка датчика температури. Типова залежність опору резистивного датчика від температури виглядає приблизно так:
Для управління вентиляторами нам не потрібно вимірювати температури менше градусів 70, але в той же час вони займають більшу частину діапазону датчика. Відповідно якщо підключати датчик до АЦП через резистивний ланцюжок, точність вимірювання температури буде мала і досягти плавного регулювання обертів буде проблематично. Тому було вирішено використати диференціальний підсилювач на ОУ. Причому на вході, що не інвертує, задати напругу відповідну потрібній мінімальній температурі вимірювання. І підібрати коефіцієнт посилення такий, щоб при максимальній температурі на виході ОУ була опорна напруга АЦП. Така схема дозволяє відкинути непотрібний діапазон вимірів. Звичайно для забезпечення універсальності схеми діапазон доведеться розширити, проте точність при цьому все одно на порядок більша.
СхемаНу вступна частина закінчена перейдемо до слайдів)
Ось така схема у мене вийшла у результаті. Тут два канали ШІМ керуються від одного датчика. У цій схемі не відображено можливість налаштування, тобто. немає ніBluetooth ні USB. Справа в тому, що для початку потрібно визначитися з корпусом, А для цього потрібно визначитися, наскільки сильно грітимуться ключі. Можливо, доведеться використовувати алюмінієвий корпус і тоді про блютузу можна забути. І постає питання забезпечення пилу та волого захисту для USB роз'єму.
І так, трохи про те, що і для чого на схемі. Транзистори Q5 і Q6 працюють у ключовому режимі і потрібні для конвертування виходу мікроконтролера з рівнем одиниці рівним 3.3В у вхід драивер ir2117 з рівнем одиниці 12В. Резистор R4 задає мінімальну температуру вимірювану системою, чим більший опір, тим менша мінімальна вимірювана температура. Діоди D2 D4 захисні діоди Шотки, що розсіюють індуктивну енергію запасену в котушках двигуна при відключенні двигуна від напруги живлення. Живлення мікроконтролера та ОУ зібрано на стабілізаторі LM7805.
ПлатаПерші тести схеми проходили на налагоджувальній платі:
Після того як на налагоджувальній платі все запрацювало, виникла потреба перевірити схему під навантаженням в реальних, так би мовити бойових, умовах. Тому вирішив спочатку зібрати все в DIP для простоти доробок у разі чого.
Відразу ж під час встановлення зрозумів, що не передбачив відключення живлення схеми при вимкненні запалювання. Ті передбачалося що живлення на схему йтиме на пряму з акумулятора щоб уникнути будь-яких механічних вмикачів на шляху струму. Однак за такої схеми контролер завжди включений і споживає близько 30мА, що не є добре. Довелося порізати доріжку і запитати всю логіку окремо, взявши плюс з головного реле. Другим істотним мінусом виявилося те, щоключі при повному навантаженні сильно гріються. А при частковому навантаженні гріються захисні діоди. Справа в тому, що передбачалося створити схему, що не потребує охолодження, щоб було достатньо пластмасового корпусу. Вирішив допаяти ще один елемент у паралель. Плату переробляти не став, однаково тестова.
Однак ключі та діоди все одно відчутно гріються, не дивлячись на те, що у ключів максимальний струм 110 А, а імпульсний 300А! На платі їх чотири штуки. Ті теоретично схема повинна бути в змозі пропускати до 440А постійного струму та до 1200 в імпульсі! У той час, як реальне навантаження при повному включенні близько 30А постійного струму. Ті 14 кратний запас по потужності, але ключі все одно гріються! Відповідно, потрібно вирішувати на рахунок алюмінієвого корпусу. Або достатньо поставити радіатори всередині пластмасового корпусу як зараз стоїть на стабілізаторі. Час покаже, а поки катаюся так, подивимося скільки проживе.