Управління вентилятором в УМЗЛ

Найкласніший пристрій для охолодження підсилювачів!

Має три режими:

В даний час вихідна потужність підсилювачів і ресиверів досягає сотень ват, а кількість каналів - п'яти-семи. Це призводить до значного виділення тепла вихідними каскадами, тому все більшої популярності набуває активного охолодження підсилювальних пристроїв. Обдув радіаторів вентиляторами давно став нормою у професійній апаратурі, проте для побутової техніки він має й низку недоліків:

підвищений рівень шуму в паузах та на малій гучності;
запилення радіаторів та пристрою в цілому, що призводить до погіршення тепловіддачі;
запилення самого вентилятора прискорює його зношування і знижує термін служби, а відмова вентилятора призводить до виходу підсилювача з ладу внаслідок перегріву.

Тому оптимальним є наступне рішення: пасивного охолодження має бути достатньо для роботи підсилювального пристрою на холостому ході і на невеликій гучності, коли нагрівання вихідних транзисторів (працюючих у класі АВ або В) невисокий. При подальшому підвищенні вихідної потужності включається вентилятор. Плюси тут очевидні: відсутній зайвий шум, зменшується запилення підсилювача, підвищується ресурс вентилятора, підсилювач не пошкоджується при відмові вентилятора (при роботі на холостому ході та на невеликій гучності).

Найкращий варіант – використовувати датчик температури, та керувати вентилятором безпосередньо від температури радіатора вихідних транзисторів. В цьому випадку охолодження проводиться саме тоді, коли воно необхідне, незалежно від причин, що спричинили перегрів. Крім того, інформація про перегрівання, що знімається з датчика температури, може бути використана для керуваннясистемою захисного відключення («рятує життя» підсилювачу) та відповідної індикації.

Пропонований пристрій управління вентилятором охолодження апаратури має просту конструкцію, не містить дефіцитних деталей і не вимогливе до живлення, забезпечуючи при цьому багатоступінчасте інтелектуальне охолодження. Принцип його ілюструє малюнок 1.

При невеликій потужності, що розсіюється, напруга на вентиляторі дорівнює нулю. Зі зростанням потужності температура радіатора зростає, і коли вона досягає 40 градусів, вентилятор вмикається. Напруга на ньому становить 6 вольт, швидкість обертання невелика, і вентилятор не робить шуму. Проте ефективність охолодження помітно зростає. При потужності порядку 9…12 Вт ефективність активного охолодження настільки висока, що через одну-дві хвилини температура опускається нижче 35 градусів, що викликає вимикання вентилятора. У системі спеціально передбачено гістерезис 5...7 градусів, для того, щоб знизити частоту включень-вимкнень вентилятора та діапазон потужностей, коли відбувається таке «широтно-імпульсне» керування, особливо при невдалому розташуванні термодатчика. Починаючи з потужності 12…15 Вт, вентилятор працює безперервно (завдяки наявності гістерези), при цьому температура радіатора виявляється нижчою, ніж при потужності 8…9 Вт.

Мал.1

Такий "безшумний" режим роботи зберігається до значення потужності 40 Вт, коли температура радіатора підвищується до 50 градусів. При подальшому зростанні потужності, що розсіюється, напруга на вентиляторі починає плавно підвищуватися, і ефективність охолодження ще більше збільшується. В результаті, в діапазоні потужностей 40-70 Вт температура змінюється від 50 до приблизно 53 градусів. Шум працюючого вентилятора також зростає, проте така ситуаціявідповідає роботі підсилювача з великою гучністю і шум вентилятора не помітний на тлі гучного звуку. Причому більшість вентиляторів починає «гучно шуміти» при напрузі живлення, що перевищує 9 вольт, що відповідає потужності прядка, що розсіюється, 60 Вт. При температурі більше 55 градусів напруга на вентиляторі максимально і охолодження проводиться найбільш інтенсивно, рівень шуму при цьому несуттєвий – йдеться про збереження працездатності підсилювача.

Пунктирні лінії на графіку показують, як змінювалася б температура, якби не відбувалося включення наступного ступеня охолодження. Якщо прийняти максимально допустимою температурою радіатора значення 60 градусів, то при природному охолодженні гранична потужність, що розсіюється, дорівнювала б 20 Вт, а при низькошвидкісному активному охолодженні - 65 Вт. При безперервній роботі вентилятора можна було б отримати ті ж максимальні 90…95 Вт, але це супроводжувалося б значним шумом на малій гучності, тоді як у пропонованому пристрої шум взагалі відсутній до значення потужності приблизно 40…50 Вт, і незначний до 55…60 Вт.

Графік на рис.1 отримано на макеті пристрою при використанні радіатора площею 200см2 і вентилятора розміром 60х60 мм. Значення температур включення ступенів охолодження вибрано досить довільно.

Схема пристрою наведена малюнку 2. Як термодатчика використовується терморезистор з негативним ТКС (термістор) R1, який разом із резистором R2 утворює дільник напруги. Напруга з дільника – пропорційна температурі – подається на тригер Шмітта на транзисторах VT1, VT2. При підвищенні вхідної напруги тригер включається, при цьому польовий транзистор VT3 (закритий у вихідному стані) відкривається та подає напругу на двигунвентилятора М1. Оскільки послідовно з двигуном включений потужний стабілітрон VD1, напруга на вентиляторі менше напруги живлення на величину напруги стабілізації стабілітрону. Вентилятор працює на малих обертах. При подальшому зростанні температури напруга дільника також зростає, і при деякому його значенні відкривається транзистор VT4. Цей транзистор шунтує ланцюжок VT3-VD1, і напруга на вентиляторі підвищується. Оскільки як VT4 використовується «вертикальний» транзистор, то діапазон вхідних напруг, при якому VT4 переходить з закритого стану у відкритий, невеликий і збільшення швидкості обертання вентилятора до максимуму відбувається при невеликій зміні температури.

Мал.2

Конденсатор С1 форсує запуск двигуна вентилятора при включенні на зниженій напрузі. Це дозволяє надійно запускати вентилятор навіть при його зносі та запиленні, коли момент тертя на валу підвищений, що підвищує надійність системи охолодження. Конденсатор С2 знижує пульсацію напруги на вентиляторі при регулюванні напруги. Якщо пристрій живиться від окремого самостійного джерела, С2 можна виключити.

Підстроювальними резисторами R3 і R9 встановлюють пороги спрацьовування ступенів охолодження. Світлодіод HL1 – індикатор, причому його яскравість сигналізує про напругу на вентиляторі, а отже, і про температуру. За бажання отримати більше інформації, вузол індикації можна ускладнити, застосувавши, наприклад, два світлодіоди з різним кольором свічення.

Якщо необхідно контролювати температуру кількох радіаторів, можна використовувати кілька однотипних термісторів, включених паралельно (пропорційно зменшивши опір R2). При цьому, внаслідок нелінійності температурної характеристики,система більшою мірою реагуватиме на найбільш гарячий об'єкт, що підвищить надійність пристрою в цілому.

Схему можна живити від джерела з меншою напругою, але при цьому знизиться максимальна ефективність охолодження.

Конструкція та деталі.

Біполярні транзистори – будь-які малопотужні з коефіцієнтом h21Е щонайменше 150, наприклад, КТ3102 (я використовував імпортні ВС546В). Польові транзистори – будь-які середньої потужності. З вітчизняних підійдуть КП740-КП743. Можна використовувати і малопотужні КП505А-В, проте струм вентилятора в цьому випадку не повинен перевищувати 150 мА. З імпортних підійдуть практично всі транзистори серій IRF5хх, IRF 6хх. Стабілітрон VD1 повинен витримувати струм вентилятора, який при зниженій напрузі живлення становить 40...50% від номінального (а це близько 50...150 мА). Напруга стабілізації вибирається таким чином, щоб напруга на двигуні становила 5-6 вольт (тобто 6. 10 вольт). При нижчій напрузі не всі вентилятори стійко працюють, більш висока напруга збільшить рівень шуму. Якщо не вдасться підібрати потрібний стабілітрон, можна скористатися його аналогом (рис.3).

Мал.3

Велика різноманітність термісторів не дозволяє вказати якийсь конкретний тип. Підійдуть практично всі в інтервалі опорів 1...68 кОм. Якщо опір термістора перевищує 20 кОм, то під час підбору R2 слід врахувати його шунтування резисторами R3 і R9.

Оскільки основним для підсилювача все ж таки є пасивне охолодження, то слід використовувати «конвекційні» (звичайні) радіатори з рідкими товстими ребрами. Вентилятор – корпусний вентилятор відповідного розміру комп'ютера. Процесорні вентилятори використовувати не рекомендується, незважаючи на їх більший повітрянийпотік - вони більш галасливі. Термістор необхідно встановити так, щоб забезпечувався хороший тепловий контакт із радіатором (з використанням термопасти), і на нього не потрапляв повітряний потік від вентилятора.

Оскільки температура всередині корпусу підсилювача може досягати 40...50 градусів, можливе встановлення додаткового вентилятора, що видує повітря з корпусу. Усі вентилятори включаються паралельно.

Пристрій зібрано на друкованій платі розміром 55х30 мм. Домагатися ще більшої мініатюрності, використовуючи SMD компоненти, я вважаю недоцільним – якщо використовуються порівняно великогабаритні елементи – радіатори, то вільне місце для влаштування керування вентилятором у підсилювачі знайдеться. Друкована плата показано на рис. 4 (вигляд з боку установки деталей). Червоним кольором показаний потужний стабілітрон VD1, а світло-зеленим - його аналог на малопотужному стабілітроні та транзисторі. Ставиться або одне, або інше.

Мал.4

Синім кольором позначені ізольовані провідники, припаяні з боку доріжок:

Мал.5

Налагодження пристрою необхідно, внаслідок великої різноманітності термісторів. Воно зводиться до підбору резистора R2 та встановлення порогів спрацьовування резисторами R3, R9. Для цього задаються значеннями температур увімкнення ступенів пристрою (на рис.1 це 40 і 50 градусів) і визначають опір термістора на цих двох температурах. Найпростіше визначити опір, помістивши термістор у склянку з водою необхідної температури. Припустимо, вийшли значення R1_1 та R1_2. Резистор R2 повинен мати такий опір, щоб напруга дільника при включенні першого ступеня була близько 2,5 вольт:

Після встановлення R2 відповідного номіналу, замість термістора підключаютьзмінний резистор із встановленим опором, рівним R1_1 і за допомогою R3 домагаються включення вентилятора (налаштовується саме момент включення, для відключення вентилятора, внаслідок гістерези, необхідно відключати «термістор»). Аналогічно за допомогою R9 домагаються збільшення напруги на вентиляторі при підключенні замість термістора опору величиною, що дорівнює R1_2.

Увага!

Іноді виникає проблема, на кшталт цієї:

"Перший ступінь охолодження виставляється нормально. Другий - не налаштовується. У крайній точці підстроювального резистора R9 напруга на вентиляторі досягає лише 3,3 В (при відключеному першому ступені підстроєчником R3)."

Швидше за все, причина сильної відмінності параметрів термісторів різних типів: у деяких зі збільшенням температури опір падає дуже сильно, а в деяких – не дуже сильно. При підвищенні температури опір термістора зменшується, а напруга в точці з'єднання R1, R2, R3 зростає. Коли напруга в цій точці досягає порога спрацьовування одного з ступенів, спрацьовує ступінь і включається. Для спрацьовування тригера Шмітта потрібно приблизно 2,5 вольта, а для відкривання польового транзистора VT4 - близько 4 ... 5 вольт (див. типову передавальну характеристику транзистора IRF630 на рис. 6). Якщо опір терморезистора падає не сильно, напруга на затворі польового транзистора не досягає необхідної величини, і він не відкривається.

В цьому випадку налаштування треба проводити «навпаки»: підбирати резистор R2 таким, щоб надійно спрацьовував другий ступінь керування. Для цього R3 виводять на мінімум (двигун у нижньому за схемою положенні), а R9 на максимум (двигун у верхньому за схемою положенні). Замість термістора підключають резистор із опором, рівнимопору термістора при максимальній температурі і підбирають R2 так, щоб напруга на вентиляторі була максимальною - приблизно дорівнює напруги живлення (можна контролювати напругу в точці з'єднання R1, R2, R3, воно має бути близько 4 ... 5 вольт). Значення R2 заокруглюють до найближчого більшого. Після цього потенціометром R3 встановлюють необхідний поріг спрацьовування першого ступеня. Зверніть увагу, що конденсатор С1 створює невелику затримку в часі, тому давайте напругі встановити приблизно 1. 2 секунди.

Добре було б перед складання схеми подивитися довідкові дані польового транзистора - він повинен відкриватися (струм стоку приблизно 100 мА) при напрузі на затворі не менше 3 і не більше 6 вольт:

Мал. 6

Ось фото прототипу (з транзистором замість потужного стабілітрона). Насправді плату можна і зменшити. Напевно, я колись це зроблю.

Мал.7

Насправді систему можна спростити, використавши спеціалізований датчик температури та мікроконтролер (або спеціалізовану мікросхему), але ІМХО вона стане не такою доступною для широкого кола радіоаматорів.