Хорошо известны устройства управления частотой вращения вентилятора принудительного обдува в зависимости от температуры теплоотвода мощных полупроводниковых приборов, но все они имеют напряжение питания, равное номинальному рабочему напряжению вентилятора. У широко распространённых бесколлекторных вентиляторов это преимущественно 12 В. Для УМЗЧ характерно питание значительно большим напряжением, к тому же оно обычно меняется в заметных пределах. Автор предлагает устройство, нормально работающее в этих условиях.
Предлагаемое устройство обеспечивает плавную регулировку частоты вращения вентилятора в зависимости от температуры охлаждаемого объекта и допускает любое напряжение питания от 12 до 50 В. Максимальное напряжение на вентиляторе не зависит от напряжения питания и во всем интервале регулирования не превышает 12 В. Если температура объекта меньше установленного порога, вентилятор выключен, при его превышении вентилятор включён. Минимальное напряжение на нём во включённом состоянии — 4 В. Эффективность обдува в этом случае — около 10% максимальной. При росте температуры напряжение на вентиляторе линейно увеличивается до 12 В.
Плавное регулирование сохраняется и при напряжении питания менее 12 В (до 8 В), но максимальное напряжение на вентиляторе, естественно, не превысит напряжения питания. Гистерезиса в характеристике управления нет, при уменьшении температуры напряжение на вентиляторе изменяется в обратном направлении. Наклон характеристики регулирования остаётся неизменным, он зависит от чувствительности применённого терморезистора. Интервал линейного регулирования напряжения на вентиляторе — около 10 °С.
Схема устройства представлена на рисунке. Датчиком температуры служит терморезистор RK1 с отрицательным ТКС, напряжение с которого подано на вход AN0 АЦП микроконтроллера DD1. На вход AN 1 этого АЦП через делитель R3R4 подано напряжение, пропорциональное напряжению питания. Измерение напряжения на этих входах происходит поочерёдно с периодом около 0,5 с. При превышении порогового значения температуры коэффициент заполнения импульсов на выходе ССР1 скачком увеличится от 0 до 1/3 (при напряжении питания 12 В). Это гарантирует уверенное трогание электродвигателя вентилятора. В дальнейшем коэффициент заполнения импульсов на выходе ССР1 микроконтроллера прямо пропорционален разнице между пороговым и текущим значениями сопротивления терморезистора и обратно пропорционален напряжению питания.
Микросхема DA1 стабилизирует напряжение питания микроконтроллера, а тактирован он от внутреннего RС-генератора частотой 8 МГц. Период управляющих вентилятором импульсов выбран равным 19,5 мкс, это компромисс между плавностью регулирования и габаритами дросселя L1.
Через эмиттерный повторитель VТ2VТЗ импульсы управления поступают на затвор полевого транзистора VТ4, образующего совместно с диодом VD2, дросселем L1 и конденсатором С7 понижающий импульсный преобразователь напряжения.
Чтобы использовать устройство для управления обдувом теплоотводов транзисторов выходной ступени УМЗЧ, оно дополнено простым однополупериодным выпрямителем выходного напряжения УМЗЧ. Выпрямленное напряжение поступает на вход АN3 АЦП микроконтроллера. Терморезистор в этом случае желательно расположить в воздушной “тени” и закрепить на теплоотводе так, чтобы обеспечить хороший тепловой контакт между ними. Вентилятор будет включаться, когда выходной сигнал УМЗЧ больше порогового уровня, и выключаться в музыкальных паузах. Если этого не требуется, узел, обведённый на схеме штрихпунктирной линией, можно исключить, а вывод 3 микроконтроллера соединить с его выводом 1.
Применён терморезистор JSR153J5SВ сопротивлением 15 кОм при 25°С, но можно использовать практически любые терморезисторы с отрицательным ТКС, например, ММТ-1 или МF55. Предпочтительно, чтобы сопротивление терморезистора при 25°С находилось в интервале 2…20 кОм.
Плавная регулировка порога включения не предусмотрена, он зависит от сопротивления резистора R1, которое должно быть равно сопротивлению терморезистора RК1 при желаемой температуре включения вентилятора. Для указанных на схеме номиналов R1 и RК1 пороговая температура — 45 °С. От ТКС терморезистора или его чувствительности зависит ширина зоны линейного регулирования напряжения в зависимости от температуры.
Транзисторы КТ3117А и КТ313А можно заменить другими транзисторами соответственно структуры n-р-n и р-n-р с импульсным коллекторным током не менее 200 мА и граничной частотой более 10 МГц, FDS3672 — другим n-канальным полевым транзистором с изолированным затвором с малым пороговым напряжением (управляемым логическими уровнями), максимальным напряжением сток—исток не менее 70 В и малым сопротивлением открытого канала. При напряжении питания не выше 24 В можно использовать распространённые полевые транзисторы IRD105N03L, IRD06N03L, а если применить транзистор с зарядом затвора, не превышающим 10 нКл, например, IRLL024N, S14812ВDY, то его затвор можно соединить с выв. 5 микроконтроллера через резистор сопротивлением 100 Ом. Эмиттерный повторитель в этом случае не нужен. Ёмкость затвора таких транзисторов не превышает 800-1000 пФ.
Кстати, есть простой метод оценки порогового напряжения полевых транзисторов с изолированным затвором, если оно не превышает 3 В. Для этого достаточно соединить затвор n-канального транзистора с его стоком и подключить к этой цепи положительный щуп цифрового мультиметра, переключённого в режим “прозвонки” диодов. Можно и перемкнуть выводы щупом. Отрицательный щуп подключают к выводу истока. Мультиметр покажет напряжение, которое можно считать приблизительно равным пороговому. Этот способ хорошо работает на трёхразрядных мультиметрах. Для p-канальных транзисторов полярность подключения щупов обратная.
Индуктивность дросселя L1 должна быть достаточной, чтобы вплоть до минимального тока нагрузки он не выходил из непрерывного режима тока. Только в этом режиме зависимость выходного напряжения от коэффициента заполнения импульсов управления остаётся линейной. Индуктивность дросселя рассчитывают по формуле
где Т — период повторения импульсов; Uвых min — минимальное выходное напряжение; Uвх макс— максимальное напряжение; IN хв — минимальный ток нагрузки. У компьютерных вентиляторов типоразмера 80×80 мм при напряжении питания 4 В потребляемый ток — около 50 мА. Следовательно, нужен дроссель индуктивностью 676 мкГн. У выбранного дросселя RCH-895NP-681К индуктивность — 680 мкГн, допустимый ток — 270 мА (при перегреве на 20 °С). Он намотан на магнитопроводе “гантель” диаметром 8 и высотой 9,5 мм. При самостоятельном изготовлении можно также использовать кольцевой магнитопровод типоразмера DT50-52C 12,7×7,7×8,51 мм из материала 52 (зелёно-голубого цвета), намотав на него 110 витков провода ПЭВ-2 диаметром 0,35 мм.
Стабилизатор напряжения 5 В выполнен на транзисторе VT1 и параллельном интегральном стабилизаторе DA1. Вместо КТ815Г в качестве VT1 может быть использован любой транзистор структуры n-p-n средней мощности с Uкэ макс больше 60 В. Если же интервал изменения напряжения питания не столь широк, то для уменьшения выделения тепла сопротивление резистора R2 в килоомах может быть уменьшено до рассчитанного по формуле
R2=(UN хв – 5 В)/(1,2 мА),
де UN хв — минимальное напряжение питания.
Такая схема стабилизатора выбрана по причине, что допустимое входное напряжение широко распространённых интегральных стабилизаторов 78L05 равно 30 В. Если известно, что напряжение питания никогда не будет превышать 28 В, то транзистор VT1, микросхему DA1, резисторы R2, R5 и R6 можно исключить, заменив весь узел интегральным стабилизатором 78L05. В этом случае в качестве VD2 лучше использовать диод Шотки, например, SS14, 1N5819.
Вентилятор включается и выключается при звуковом напряжении на разъёме XS1 100…150мВ. При необходимости увеличить этот порог можно, включив последовательно с конденсатором С5 резистор. Светодиод HL1 служит ограничителем напряжения, здесь можно установить любой маломощный светодиод красного цвета свечения. Сигнал на разъём XS1 можно подавать и с линейного выхода 250 мВ УМЗЧ, но в качестве VD1 в этом случае лучше использовать диод Шотки (BAR32, ВАТ54), тогда порог выключения составит 20…30 мВ.
Программа микроконтроллера написана на языке Proton PicBasic. Конфигурация микроконтроллера содержится в НЕХ-файле vent_U_50.hex вместе с кодами программы и при программировании микроконтроллера устанавливается автоматически.
Печатная плата для регулятора не разрабатывалась. Два экземпляра устройства собраны на макетных платах и успешно работают несколько лет. При напряжении питания 24 В и выходном напряжении 11,7В достигнут КПД регулятора 84 %.
Автор: Л. ВАНЮШИНА, г. Уфа
Джерело: Радио №11, 2016
