Вентилятор (кулер, англ. cooler) – основа системы охлаждения многих устройств, особенно с высокой мощностью. Это дешевое и эффективное решение, которое используется в электронике уже несколько десятилетий. За прошедшие годы технология производства вентиляторов претерпела значительное развитие, предоставив новые возможности управления его работой. Так давайте вместе с редакцией сайта 2Схемы рассмотрим наиболее важные аспекты этого вопроса.

Основные тенденции развития современной электроники, такие как миниатюризация или увеличение вычислительной мощности, представляют серьезную проблему для разработчиков систем охлаждения. Постоянное увеличение удельной мощности современных микросхем вызывает необходимость обеспечения достаточно эффективных способов управления рабочей температурой устройства, в первую очередь за счет отвода избыточного количества тепловой энергии, образующейся в схеме.

Конструкторы обычно стараются решить проблему охлаждения устройства за счет пассивных элементов, таких как радиаторы и тепловые трубки. Такие системы не требуют дополнительного питания, поэтому не увеличивают мощность потребляемую устройством. Кроме того, они бесшумны и безотказны. Но предлагаемая ими способность рассеивать и отводить тепло может во многих случаях оказаться недостаточной. Альтернативой пассивным системам является активное охлаждение, в котором используются различные типы вентиляторов для принудительной циркуляции воздуха вокруг охлаждаемого элемента. Конечно вентилятор является источником неприятных шумов, а также потребляет электричество, что может быть особенно важно в случае батарейного питания.

Управление скоростью вращения

Одним из способов устранения или уменьшения значимости данных неудобств, связанных с использованием вентилятора, является точное регулирование скорости его работы. Снижение этого параметра до минимально необходимого значения позволяет снизить уровень шума, потребление электроэнергии, увеличить надежность и срок службы элемента.

На рынке представлено множество различных типов вентиляторов. Подавляющее большинство из них можно отнести к одной из трех групп в зависимости от количества проводов, необходимых для соединения элемента. Имеются вентиляторы с двумя, тремя или четырьмя проводами.

К основным методам работы вентилятора относятся следующие способы управления скоростью вентилятора:

1. нет контроля скорости;
2. способ включения/выключения;
3. линейный метод регулирования напряжения;
4. модуляция ШИМ с или без растяжения импульса.

Типы вентиляторов DC

Итак, имеющиеся кулеры можно разделить на группы в зависимости от количества соединительных проводов, необходимых для его работы.

С двумя выводами. Самым простым и дешевым типом является вентилятор с двумя соединительными проводами, представляющими два полюса источника питания. Скорость его работы можно регулировать величиной напряжения (в случае питания постоянным током) или скважностью ШИМ-сигнала. Этот тип не предоставляет возможности считывания обратной связи о фактической скорости вращения или даже проверки того, работает ли он (вращается) вообще. Такой вид управления относят в автоматике к разомкнутой системе (или без обратной связи) – обратная связь отсутствует, поэтому нет возможности корректировать входной сигнал, чтобы реагировать на влияние разного рода изменений.

С тремя выводами. Трехпроводной вентилятор, помимо двух вводов питания, имеет еще и выход на тахометрический сигнал, который предоставляет информацию о скорости вращения. Этот сигнал обычно поступает от датчика Холла, установленного внутри вентиляторной схемы, и имеет форму импульсного сигнала с частотой, пропорциональной скорости вращения вентилятора.

Управление этим типом кулера может осуществляться теми же методами, что и в случае двухпроводного вентилятора, с тем отличием что можно получить сигнал обратной связи, информирующий о фактической скорости работы вентилятора. Это позволяет построить схему управления на основе обратной связи.

Проблемы с этим решением возникают в случае управления вентилятором с помощью ШИМ-сигнала. В такой ситуации питание вентилятора подается не постоянно, а только в периоды высоких импульсов, поэтому датчик Холла работает в ритме с этими изменениями питающего напряжения. В результате выходной сигнал датчика дополнительно нежелательно модулируется ШИМ-сигналом, управляющим питанием, как показано на рисунке. Большинство вентиляторов имеют тахометрический выход с открытым стоком, поэтому в случае отключения питания он отключается.

С четырьмя выводами. Четырехпроводной вентилятор имеет отдельный вход для ШИМ-сигнала в дополнение к специальному входу для положительного полюса источника питания. Решения этого типа оснащены встроенным транзистором MOSFET, который переключает подачу питания на электродвигатель. В результате датчик Холла питается непрерывно, независимо от фазы и хода манипуляционного сигнала, генерируя при этом сигнал с частотой, пропорциональной мгновенной частоте вращения схемы, без каких-либо дополнительных помех. На рисунке далее показаны отличия построения трех- и четырехпроводной схемы вентилятора.

Способы управления вентилятором

Нет контроля – открытая схема. Самый простой способ использовать вентилятор в системе охлаждения — просто включить его и заставить работать непрерывно с определенной постоянной скоростью, зависящей от поданного напряжения. Основным преимуществом этого решения является простота, отсутствие необходимости использования дополнительных компонентов или реализации какой-либо схемы управления. Но такой способ значительно сокращает срок службы вентилятора (постоянная работа на максимальных оборотах ускоряет износ), а также совершенно неэффективен с точки зрения экономии энергии – система охлаждения потребляет электроэнергию даже при низкой температуре охлаждаемого объекта. Непрерывная работа также создает постоянный и продолжительный шум, который может раздражать пользователя.

Включение и выключение. Одним из наименее сложных способов регулирования работы вентилятора является использование термостата или датчика температуры. Вентилятор включается только в случае обнаружения превышения предельного значения температуры, в остальное время он остается выключенным. Это решение можно реализовать используя датчик температуры любого типа и контроллер. Также доступны схемы, оснащенные термостатом и выходом для прямого управления питанием вентилятора, обычно основанного на петле гистерезиса. Это означает что после превышения определенной температуры T max включается вентилятор, работающий до остывания устройства до температуры T min, где T max > T min. По сравнению с решением, использующим одно пороговое значение температуры, это позволяет избежать многократного переключения в случае, если температура окружающей среды колеблется вокруг порогового значения.

Основным недостатком этого метода является невозможность регулирования скорости вращения вентилятора. Либо он вообще не работает, либо крутится на полной скорости. Это создает неприятные звуковые эффекты потенциально раздражающие пользователей, особенно в моменты включения (резкое повышение уровня шума). Работа на максимальных оборотах также не способствует долговечности вентилятора, а отсутствие какой-либо обратной связи затрудняет обнаружение его повреждения.

Линейное регулирование напряжения. Более полное управление работой вентилятора можно получить при линейном изменении величины питающего напряжения. Более низкое напряжение будет означать более низкую скорость – более слабую охлаждающую способность, но также более тихую и энергоэффективную работу. Правда эта зависимость имеет свои ограничения. Каждый вентилятор характеризуется минимальным значением пускового напряжения U, необходимого для начала работы, то есть пуска. Это значение всегда выше минимального напряжения Umin, необходимого для поддержания движения – при старте электродвигатель должен создавать большее усилие, чтобы преодолеть инерцию. И U старт, и U мининдивидуальны для каждой модели вентилятора, и некоторые несоответствия между этими параметрами могут возникать даже у отдельных экземпляров одной модели.

Для реализации этого метода можно использовать выход цифро-аналогового преобразователя (ЦАП), которым оснащено большинство современных микроконтроллеров, также на рынке имеются драйверы специально для этой цели. Для усиления выходного напряжения можно использовать простую схему усилителя, как показано на рисунке выше.

Основным преимуществом этого метода является снижение шума создаваемого вентилятором, а также продление срока службы. К недостаткам можно отнести ограниченный диапазон регулирования температуры (во многих решениях ограничен снизу значением U пуск), а также низкий КПД и необходимость использования множества дополнительных элементов в схеме регулирования, что удорожает проект.

Управление сигналом ШИМ. В настоящее время в цифровых схемах наиболее часто используется метод управления путем регулировки коэффициента заполнения ШИМ-сигнала. При таком подходе, как и при решении с включением/выключением, вентилятор работает на максимальной мощности или вообще не работает, что устраняет некоторые проблемы, связанные с линейным регулированием напряжения.

К основным достоинствам этого метода можно отнести простоту, дешевизну и широкий диапазон регулирования скорости вращения вентилятора – обычно примерно от 10 % от максимального значения, а в случае управления ШИМ-сигналом с частотой выше акустического диапазона еще и малошумность.

Одним из самых больших недостатков является модуляция выходного сигнала датчика Холла сигналом ШИМ, что мешает правильному считыванию значения скорости вращения. Эта проблема возникает только у 3-х проводных вентиляторов, в случае 4-х проводных решений – не вопрос. Здесь можно использовать технику известную как растяжка импульса. Периодически в течение времени, необходимого для измерения скорости вращения (обычно один период тахометрического сигнала), коэффициент заполнения ШИМ-сигнала изменяется на 100 %, что позволяет получать неискаженный сигнал от датчика Холла. Правда это временно увеличивает громкость работы.

При использовании низкочастотного ШИМ-сигнала в слышимом диапазоне, дополнительной проблемой может стать шум, связанный с периодическим включением цепи электродвигателя.

Подведём итоги

Итак, наиболее эффективным способом управления работой кулера видится использование ШИМ-сигнала с частотой выше 20 кГц, то есть за пределами звукового диапазона. Такое решение обеспечивает достойный акустический комфорт, высокую энергоэффективность и широкий диапазон регулирования скорости вращения. Его также относительно легко реализовать в плане конструкции схемы управления вентилятора.

Имеющиеся на рынке вентиляторы имеют различные возможности управления и регулирования их работы в зависимости от количества контактов. Наиболее простые и дешевые двухпроводные кулеры позволяют создавать только схемы управления в разомкнутом контуре, без возможности прямого считывания обратной связи о фактических параметрах работы устройства и, таким образом, без возможности проектирования управления на основе ОС. Для этого необходимо использовать трех- или четырехпроводную схему. Четырехпроводные лучше подходят для управления на основе ШИМ-сигнала, так как в отличие от трехпроводных не подвержены помехам и модуляции тахометрического сигнала. Более подробно о распиновке и подключении различных кулеров читайте здесь.