Wentylatory w urządzeniach elektronicznych i regulacja obrotów

Rys. 1.

Oferta wentylatorów do chłodzenia elektroniki w firmie TME liczy kilkaset różnych produktów, niemniej ogólnie można podzielić ją na dwie główne grupy tych urządzeń. Pierwszą stanowią wentylatory zasilane napięciem przemiennym 230 V lub 115 V, przeznaczone do współpracy z siecią energetyczną.

To wentylatory średniej i dużej mocy, w dużej części przeznaczone do systemów wentylacyjnych i wyciągów. Przykładowe modele to Sunon DP200A2123XBT lub Sunon A2259HBT-TC. Drugą grupą są wentylatory zasilane napięciem stałym. Są one przystosowane do chłodzenia nagrzewających się w czasie pracy podzespołów elektronicznych.

Mają mniejszą moc i pracują przy napięciach znamionowych 5 V, 12 V, 24 V oraz 48 V. Przykładowe modele to Sunon HA40101V4 lub Sunon EE80252B1-A99. Gdy ilość ciepła wydzielanego w urządzeniu nie jest stała i zmienia się podczas pracy, warto zapewnić regulację prędkości obrotowej posiadanego wentylatora w zależności od temperatury.

Stała kontrola wydajności wentylatora owocuje oszczędnością energii i redukcją hałasu generowanego przez aktywny system chłodzenia. Regulacja obrotów wydaje się zagadnieniem prostym, niemniej warto wiedzieć, jak zrobić ją najlepiej oraz możliwie jak najwydajniej i najbezpieczniej. Regulacja obrotów wentylatora polega ogólnie na regulacji mocy dostarczanej do wentylatora, co pociąga za sobą zmianę prędkości obrotowej.

Oczywiście każda z wymienionych na początku grup wymaga innego rodzaju sterowania dostarczaną mocą. Dla układów prądu przemiennego elementem załączającym będzie odpowiednio sterowany triak, na przykład z rodziny BT13x.

Konkretny element wybieramy w oparciu o potrzebną wydajność prądową (moc sterowanego wentylatora), a także maksymalne napięcie zasilające. BT136-600 jest elementem o prądzie znamionowym 4 A i napięciu do 600 V. Triaki występują także w różnych obudowach, najczęściej są to odmiany obudowy TO-220, bardzo wygodnej do stosowania z radiatorem.

Rys. 2.

Do regulacji mocy prądu AC można zastosować regulację fazową. Polega ona na zmianie momentu załączenia triaka (zmiana opóźnienia załączenia względem przejścia sinusoidy przez zero), co powoduje podanie do odbiornika odpowiedniej części sinusoidy.

Takie układy pozwalają na regulację w sposób ciągły w granicach od 0% do 100%, czyli od zatrzymania do nominalnych obrotów wentylatora. Wadą takiego rozwiązania jest generowanie zakłóceń w sieci energetycznej z uwagi na obecność przebiegów odkształconych, ale można temu zapobiec, stosując filtrowanie.

Rysunek 1 pokazuje prostą realizację sterowania fazowego. Potencjometr PR1 służy do regulacji obrotów (momentu załączenia triaka), a elementy L1, C1 stanowią filtr przeciwzakłóceniowy. Innym sposobem regulacji prędkości wentylatorów AC jest grupowa regulacja mocy.

Polega ona na okresowym "przepuszczaniu" do odbiornika grupy kilku okresów przebiegu sinusoidalnego wyodrębnionych z całego przebiegu sieciowego. Przykłady przebiegów wyjściowych dla takiej regulacji przedstawia rysunek 2. Sygnał sterujący "przepuszczaniem" pełnych okresów sinusa jest sygnałem o zmiennym wypełnieniu i częstotliwości równej 50 Hz/n, gdzie n to rozdzielczość regulacji.

Rys. 3.

Zaletą takiego rozwiązania jest brak jakichkolwiek zakłóceń ze względu na załączanie i wyłączanie triaka w "zerze". Jednak istotnym ograniczeniem dla sterowania wentylatorami jest niska częstotliwość przebiegu sieci, co powoduje, że nie uzyskamy dobrej regulacji w dolnym zakresie obrotów, np. dla częstotliwości przebiegu sterującego 1 Hz nie uzyskamy właściwej regulacji, tak do 10%-20% mocy (prędkości obrotowej).

Sygnał podawany z tak niską częstotliwością mógłby w tym zakresie spowodować nierówną pracę wentylatora. Takie rozwiązanie stosuje się dla częstotliwości sygnału sterującego 5 Hz i skokowej regulacji co 10%. Przykładowy układ tego typu regulacji pokazany został na rysunku 3.

Blok przełączania (ON/OFF) zawiera optotriak MOC3041, który zapewnia załączanie triaka w "zerze" oraz jego izolację galwaniczną od części sterującej. Część sterującą (Control) stanowi generator zbudowany w oparciu o układ NE555.

Częstotliwość przebiegu sterującego wyznaczają elementy P1, C2, natomiast potencjometr P1 zapewnia regulację współczynnika wypełnienia od 1% do 99%. Dla wentylatorów zasilanych napięciem stałym elementem regulacji obrotów są sterowniki z modulacją szerokości impulsu PWM.

Sposób sterowania polega na zasilaniu wentylatora przebiegiem impulsowym o amplitudzie równej napięciu znamionowemu wentylatora i zmiennym wypełnieniu impulsów. Elementem załączającym może być dowolny tranzystor PNP lub MOSFET.

Rys. 4.

Z uwagi na indukcyjny charakter obciążenia, jakim jest wentylator, należy obowiązkowo zastosować diodę zabezpieczające element kluczujący przed przepięciami, powstającymi w chwilach przełączania. Powinna to być dioda szybka o mocy tym większej, im większa jest moc wentylatora. W układach PWM sterujących silnikami stosuje się zazwyczaj przebiegi sterujące z generatora o częstotliwości od kilkuset herców do kilku, kilkunastu kiloherców.

Rysunek 4 przedstawia w pełni funkcjonalny schemat regulatora prędkości obrotowej wentylatora zrealizowany w oparciu o sterowanie PWM. Generator został zrealizowany na bramkach NAND, pracuje z częstotliwością ok. 700 Hz, a wypełnienie impulsów wyjściowych jest regulowane potencjometrem PR1.

Oczywiście przebieg sterujący możemy uzyskać z różnych źródeł - wiele mikrokontrolerów ma wbudowany licznik, który przy odpowiedniej konfiguracji spełnia funkcję programowo sterowanego generatora PWM.

Innych propozycji układów sterowania PWM jest bardzo wiele, od przedstawionych prostych układów wybranych z prasy branżowej, poprzez aplikacje oparte na mikrokontrolerach i driverach PWM, aż po specjalne urządzenia. Wybierając odpowiedni dla aplikacji układ sterowania prędkością wentylatora PWM, należy jednak pamiętać o wymaganiach stawianych przez takie rozwiązanie.

Trzeba uwzględnić odpowiednią częstotliwość impulsów podawanych na wentylator i dobór elementu przystosowanego do regulacji metodą modulacji szerokości impulsu. Istnieje jeszcze jedna metoda regulacji prędkości obrotowej wentylatora prądu stałego, poprzez regulację napięcia zasilania. Jest to metoda prosta i tania, możliwa do realizacji za pomocą dowolnego, regulowanego stabilizatora napięcia.

Rys. 5.

Przykład z wykorzystaniem popularnej kostki LM317 pokazuje rysunek 5. Takie sterowanie ma jednak poważną wadę. Wentylatory DC charakteryzowane są poprzez tzw. napięcie startu, czyli minimalne napięcie, którego podanie umożliwia pewne uruchomienie wentylatora. I tak dla wentylatorów 12-woltowych firmy Sunon najczęściej jest to 4,5 V, a dla niektórych modeli nawet 8 V.

Ponadto producent nie gwarantuje poprawnej pracy poniżej wartości napięcia zasilania równej właśnie napięciu startu. Powoduje to poważne ograniczenie zakresu regulacji obrotów wentylatora. Stąd najlepszą metodą do wentylatorów AC wydaje się zastosowanie sterowania fazowego, a dla wentylatorów DC sterowników PWM.

Janusz Janicki
Cezary Kalinowski
TME
www.tme.pl