Regulacja prędkości obrotowej wentylatorów

Wentylatory są skuteczniejsze niż radiatory. Niestety jednocześnie stanowią one główne źródło hałasu w urządzeniach elektronicznych, psują się, mają ograniczoną żywotność oraz wymagają zasilania. Wady te są szczególnie dokuczliwe, gdy łopatki wentylatora obracają się z największą możliwą prędkością przez cały czas, nawet wówczas, kiedy chłodzenie nie jest potrzebne.

Zalety takiego podejścia, tzn. maksymalna skuteczność odprowadzania ciepła i prosty układ sterowania wentylatorem, nie zawsze są w stanie zrównoważyć wady. Alternatywą jest technika dwupołożeniowej regulacji włącz/wyłącz. Wentylator pracuje tylko wtedy, kiedy chłodzenie jest konieczne, czyli wówczas, kiedy temperatura wzrośnie powyżej wartości progowej. Przez resztę czasu jest on wyłączony. Zaletą tej metody jest łatwość realizacji, wadą hałas oraz słaba regulacja temperatury.

Wady i zalety metody włącz/wyłącz

Układ sterowania wentylatorem składa się z sensora temperatury i komparatora. Gdy temperatura wzrasta powyżej górnej wartości progowej, stan na wyjściu komparatora zmienia się. Przełączenie ponowne następuje, gdy temperatura spada poniżej dolnej wartości progowej. Wartości graniczne ustalane są przez konstruktora. Dzięki histerezie unika się niepożądanych częstych włączeń wentylatora w czasie wahań temperatury.

Do zalet tej techniki zalicza się skuteczność chłodzenia i oszczędność energii. Wadą jest z kolei uciążliwość dla użytkowników urządzenia chłodzonego w ten sposób. Człowiek bowiem łatwo przyzwyczaja się do ciągłego hałasu. Nagłe i częste zatrzymywanie i uruchamianie wentylatora może więc powodować niepotrzebne rozdrażnienie.

Regulacja liniowa

By chłodzenie było zarazem wydajne, ciche i energooszczędne, prędkość obrotową wentylatora powinno się dostosowywać do potrzeb, zmniejszając lub zwiększając ją, przez zmianę napięcia zasilania. Wyróżnia się dwie metody jego regulacji: liniową i PWM (Pulse Width Modulation).

Dalej przedstawiamy ich zalety i wady oraz przykłady realizacji.

W metodzie liniowej, by zwolnić lub przyspieszyć obroty łopatek, napięcie, odpowiednio, obniża się albo podwyższa. Zaletą tego sposobu jest znaczące ograniczenie hałasu. Stopień wyjściowy układu regulacji musi jednak działać jak wzmacniacz liniowy, a nie element przełączający. Jego rozmiary i cena będą zatem większe i może on sam wymagać dodatkowego chłodzenia radiatorem.

Wady regulacji liniowej

Rys. 1. Przykład obwodu sterowania wentylatorem metodą PWM

Wadą metody liniowej jest także to, że większość wentylatorów nie uruchamia się przy napięciu niższym niż połowa maksymalnego. By pokonać bezwładność, napięcie potrzebne do wprawienia łopatek w ruch jest ponadto wyższe niż to wymagane do podtrzymania ich ruchu i zmienia się w czasie eksploatacji.

Zakres regulacji prędkości jest zatem ograniczony, zazwyczaj od 50% do 100% tej maksymalnej. Na przykład w przypadku wentylatorów zasilanych z 12 V minimalne napięcie rozruchowe, przy którym łopatki kręcą się z prędkością równą połowie tej największej, wynosi zwykle 7 V. Jeżeli napięcie zasilania jest niższe, na przykład 5 V, by uruchomić wentylator, trzeba co najmniej 3,5 V. Przy takim napięciu łopatki będą się już jednak kręcić prawie z największą możliwą szybkością.

Regulacja PWM

Rys. 2. Sygnał tachometryczny przy braku zasilania nie jest wiarygodny

W drugiej metodzie napięcie zasilania wentylatora ma zawsze wartość zerową albo maksymalną. Znacznie poszerza to zakres regulacji prędkości obrotowej - wynosi on typowo od 10 do 100% jej wartości maksymalnej. Zaletą techniki z modulacją PWM, zwykle niskoczęstotliwościową (30 Hz), jest też prostota i niski koszt realizacji. Przykład obwodu sterowania wentylatorem, którego częścią jest klucz tranzystorowy, przedstawiono na rysunku 1.

W wypadku większych wentylatorów, o prądzie rzędu 0,5 A i większych, problemem jest jednak hałas towarzyszący przełączaniu napięcia powstający na skutek drgań uzwojeń wentylatora i efektu magnetostrykcji rdzenia silnika. Można próbować go zmniejszyć, uzupełniając obwód klucza tranzystorowego o kondensator, przeważnie jednak to nie wystarczy. Ponadto, wówczas kiedy napięcie zasilające jest odłączane, do układu sterowania nie dociera prawidłowy sygnał z wyjścia tachometrycznego wentylatora (rys. 2).

Rozciąganie impulsów

Rys. 3. Wiarygodny sygnał tachometryczny uzyskuje się przez wydłużenie impulsu PWM

To ostatnie jest dostępne w wentylatorach trójprzewodowych. W tych dwuprzewodowych, czyli tylko z zaciskiem zasilania i masy, z powodu braku informacji o aktualnej prędkości obrotowej wentylatora możliwe jest sterowanie PWM wyłącznie w układzie otwartym.

Rozwiązaniem problemu z zafałszowaniem sygnału z wyjścia tachometrycznego po odłączeniu zasilania jest wydłużenie impulsu PWM (pulse stretching). Wentylator jest wówczas okresowo wyłączany na tak długo, ile potrzeba do uzyskania pełnej informacji o jego aktualnej prędkości obrotowej (rys. 3). Towarzyszy temu niestety większy hałas.

Alternatywą jest wentylator czteroprzewodowy. Oprócz wyjścia tachometrycznego, zasilania i masy ma on również wejście PWM. Za jego pośrednictwem zasilanie jest odłączane tylko od napędu urządzenia. Sygnał na wyjściu tachometrycznym zatem stale informuje o rzeczywistej prędkości obrotowej.

Przykład 1 - MAX6620

Rys. 4. Przykład użycia sterownika MAX6620

MAX6620 to układ z oferty firmy Maxim. Umożliwia on regulację liniową napięcia zasilającego niezależnie dla maksymalnie czterech wentylatorów. Przykład jego wykorzystania przedstawia rysunek 4. Z mikrokontrolerem MAX6620 komunikuje się za pośrednictwem magistrali I²C. Każde z jego czterech wyjść (DACOUT 1 - 4) steruje bazą zewnętrznego tranzystora pnp lub bramką tranzystora MOSFET z kanałem typu p. Układ monitoruje także wyjścia tachometryczne wentylatorów.

MAX6620 może pracować w jednym z dwóch trybów: DAC oraz RPM. W pierwszym ustawiane jest jedynie napięcie zasilające. Jego wartości: zadana i aktualna, są zapisywane w rejestrach. Szybkość, z jaką wartość zadana jest osiągana, jest zmienna - określa się ją również w jednym z rejestrów - dlatego jej wartość aktualna może się różnić od tej docelowej.

W trybie RPM układ śledzi wyjście tachometryczne wentylatora i zależnie od jego stanu zmienia napięcie, aż do osiągnięcia zadanej prędkości obrotowej. Ta ostatnia wielkość jest określana przez zliczanie cykli zegara 8192 Hz w wybranej liczbie okresów sygnału z wyjścia tachometrycznego. Wartości, zadana oraz aktualna, prędkości obrotowej wentylatora są zapisywane w odpowiednich rejestrach.

Detekcja awarii wentylatora

W MAX6620 można ponadto włączyć mechanizm detekcji awarii wentylatora na podstawie analizy wartości wyjścia tachometrycznego. Sposób wykrywania takiego zdarzenia różni się w zależności od trybu pracy tego układu, jednak by je potwierdzić odpowiednie przesłanki muszą się powtórzyć czterokrotnie.

W trybie pracy DAC te ostatnie występują, jeżeli prędkość obrotowa wentylatora wyznaczona na podstawie sygnału z wyjścia tachometrycznego przekracza wartość graniczną zapisaną w rejestrze, a stan ten utrzymuje się dłużej niż 1 s. W trybie pracy RPM awaria wentylatora jest potwierdzana, jeżeli przez dłużej niż 1 s wystąpi którekolwiek z tych zdarzeń: prędkość obrotowa jest większa od wartości granicznej przy maksymalnym napięciu zasilania, prędkość obrotowa jest dwa razy większa od wartości granicznej albo licznik, który zlicza impulsy z wyjścia tachometrycznego, wskazuje swoją wartość maksymalną. MAX6620 może też wykryć awarię na podstawie stanu specjalnego wyjścia dostępnego w niektórych wentylatorach, które sygnalizuje zatrzymanie się wirnika.

Ponadto, by zapobiec niemożności uruchomienia wentylatora z powodu zbyt niskiego napięcia zasilania, układ można zaprogramować tak, by zawsze na początku urządzenie to było zasilane napięciem maksymalnym. Będzie ono podtrzymywane, dopóki na wyjściu tachometrycznym nie zostaną zliczone dwa impulsy.

Przykład 2 - AMC6821

AMC6821 to sterownik z modulacją PWM z oferty firmy Texas Instruments. Oprócz tego układ ten mierzy temperaturę (wewnętrzną oraz zewnętrzną, z czujnika na chłodzonym elemencie). Może on działać w jednym z trzech trybów: auto temperature-Fan, software-RPM i software-DCY. Każdy z nich, mimo różnic w sposobie realizacji, reguluje prędkość obrotową wentylatora poprzez zmianę współczynnika wypełnienia przebiegu PWM. W trybie auto temperature-Fan AMC6821 pracuje w zamkniętej pętli.

Prędkość wentylatora jest wówczas regulowana w zależności od wyniku pomiaru temperatury, tak aby równocześnie nie emitował on zbyt dokuczliwego hałasu. Po zaprogramowaniu układ działa niezależnie. Dzięki temu nawet w razie uszkodzenia mikrokontrolera albo wystąpienia innego problemu w systemie nadrzędnym prędkość wentylatora nadal jest regulowana stosownie do wymaganej skuteczności chłodzenia.

Software-RPM i software-DCY

W trybie software-RPM celem jest uzyskanie prędkości zadanej przez użytkownika. Skorzystanie z niego jest możliwe tylko wtedy, gdy dostępny jest sygnał tachometryczny z wentylatora. Szybkość obrotów w danej chwili porównywana jest z wartością zaprogramowaną w specjalnym rejestrze. Na tej podstawie zmieniane jest wypełnienie przebiegu PWM.

W trybie software-DCY AMC6821 pracuje w otwartej pętli. Współczynnik wypełnienia przebiegu PWM wymagany do uzyskania konkretnej prędkości obrotowej wentylatora jest przez użytkownika zapisywany w specjalnym rejestrze.

Podobnie jak w sterowniku firmy Maxim Integrated, również w układzie firmy Texas Instruments zaimplementowano mechanizm zapobiegający problemom z uruchomieniem wentylatora. W czasie rozruchu współczynnik wypełnienia przebiegu PWM w tym celu najpierw szybko i liniowo rośnie z 33,3% do 100%, następnie przez określony czas pozostaje równy tej ostatniej wartości, aby potem zmienić wartość od razu na 33%. Po włączeniu wentylatora jego prędkość jest regulowana zależnie od wybranego trybu pracy.

Monika Jaworowska