Система автоматического управления вентилятором. — Радио-как хобби
Система автоматического управления вентилятором своими руками.
Часто в радиолюбительской практике возникает необходимость охлаждать методом обдува какие-либо мощные активные элементы: регулирующие транзисторы в блоках питания, в выходных каскадах мощных УНЧ, радиолампы в выходных каскадах передатчиков и т.д.
Конечно, проще всего включить вентилятор на полные обороты. Но это не самый лучший выход-шум вентилятора будет напрягать и мешать.
Система автоматического управления вентилятором-вот что может быть выходом из ситуации.
Такая система автоматического управления вентилятором, будет управлять включением/выключением и оборотами вентилятора в зависимости от температуры.
В данной статье предложен простой, бюджетный выход из ситуации…
Итак, некоторое время тому назад знакомый товарищ попросил изготовить ему систему автоматического регулирования оборотов вентилятора охлаждения для зарядного устройства. Поскольку готового решения у меня не было-пришлось поискать что-либо подходящее в интернете.
Всегда руководствуюсь принципом –«делать жизнь как можно проще», поэтому подыскивал схемы попроще, без всяких там микроконтроллеров, которые сейчас суют где надо, и где не надо. Попалась на глаза статья :http://dl2kq.de/pa/1-11.htm. Решено было испытать описанные в ней автоматы управления вентилятором…
Система автоматического управления вентилятором №1.
Принципиальная схема устройства показана ниже:
В данном случае применен вентилятор с рабочим напряжением 12 В.
Схема питается напряжением 15…18 В. Интегральный стабилизатор типа 7805 задает начальное напряжение на вентиляторе. Транзистор VT1 управляет работой интегрального стабилизатора. В качестве датчиков температуры использованы кремниевые транзисторы (VT2 и VT3) в диодном включении.
Схема работает следующим образом: в холодном состоянии датчиков температуры напряжение на них максимально. Транзистор VT1 полностью открыт, напряжение на его коллекторе ( а значит и на выводе 2 интегрального стабилизатора) составляет десятые доли вольта. Напряжение, подаваемое на вентилятор почти равно паспортному выходному напряжению микросхемы LM7805, и вентилятор вращается на небольших оборотах.
По мере прогрева датчиков температуры ( одного любого из них, или обеих) напряжение на базе VT1 начинает уменьшаться. Транзистор VT1 начинает закрываться, напряжение на его коллекторе увеличивается, а соответственно, увеличивается и напряжение на выходе микросхемы LM7805.
Обороты вентилятора также увеличиваются и плавно достигают максимальных. По мере остывания датчиков температуры происходит обратный процесс и обороты вентилятора уменьшаются.
Количество датчиков может быть от одного до нескольких ( мною опробовано три параллельно включенных датчика). Датчики могут быть установлены как рядом друг с другом ( для повышения надежности срабатывания), так и размещены в разных местах.
Изначально данная схема разрабатывалась для применения в мощном ламповом усилителе мощности КВ диапазона, отсюда большое количество блокировочных конденсаторов. При применении данной системы автоматического управления режимом работы вентилятора, скажем, в блоках питания, или в мощных усилителях НЧ блокировочные конденсаторы можно не устанавливать.
Данная схема интересна еще и тем, что датчики температуры могут быть как закреплены на радиаторах мощных транзисторов, диодов и иметь непосредственный тепловой контакт с ними,так и установлены на весу, в потоке теплого воздуха.
В качестве транзисторов VT1…VT3 можно применить любые кремниевые транзисторы в пластиковом корпусе и структуры n-p-n. Мною успешно испытаны транзисторы КТ503, КТ315, КТ3102, S9013, 2N3904. Подстроечный резистор R2 служит для установки минимальных оборотов вентилятора.
При настройке данной системы автоматического управления режимом работы вентилятора подстроечным резистором R2 устанавливают минимальные обороты вентилятора. Затем, нагревая датчик, или датчики, каким-либо источником тепла убеждаются в работоспособности системы и возможность срабатывания её от разных датчиков независимо.
Данная схема достаточно чувствительна-можно настроить её на срабатывание даже от нагевания датчика температуры рукой. Важное замечание. Схема измеряет не абсолютную температуру, а разность температур между переходами транзистора VT1 и датчиков VT2 и VT3. Поэтому плата устройства должна быть размещена в месте, исключающем дополнительный нагрев. Интегральный стабилизатор должен быть снабжен небольшим радиатором.
Система автоматического управления вентилятором №2.
Здесь описано аналогичное устройство, но имеющее некоторые особенности.
Дело вот в чем. Часто бывают случаи, когда система автоматического управления режимом работы вентилятора установлена в изделии, где имеется всего лишь одно питающее напряжение -12В, но и вентилятор рассчитан на работу от напряжения 12 В.
Для достижения максимальных оборотов вентилятора необходимо подать на него полное напряжение,или, другими словами, регулирующий элемент системы автоматического управления режимом работы вентилятора должен иметь практически близкое к нулю падение напряжения на нем. И в этом смысле схема, описание которой изложено выше, не подходит.
В этом случае применимо другое устройство, схема которого представлена ниже:
Регулирующим элементом служит полевой транзистор с очень низким сопротивлением канала в открытом состоянии. Мною использован транзистор типа PHD55N03.
Он имеет следующие характеристики: максимальное напряжение сток-исток -25 В, максимальный ток стока- 55 А, сопротивлением канала в открытом состоянии -0,14 мОм.
Подобные транзисторы применяются на материнских платах и платах видеокарт. Я добыл этот транзистор на старой материнской плате:
Цоколевка этого транзистора:
Именно очень низкое сопротивление канала в открытом состоянии и позволяет приложить к вентилятору практически полное напряжение питания.
В этой схеме датчиком температуры служит терморезистор R1 номиналом 10 кОм. Терморезистор должен быть с отрицательным температурным коэффициентом сопротивления ( типа NTC).
Номинал терморезистора R1 может быть от 10 до 100 кОм, соответственно нужно изменить и номинал подстроечного резистора R2. Так, для терморезистора номиналом 100 кОм, сопротивление подстроечного резистора R2 должно быть 51 или 68 кОм. Подстроечным резистором R2 в данной схеме устанавливается порог срабатывания схемы.
Данная схема работает по принципу термоуправляемого реле: вентилятор включен/выключен в зависимости от температуры датчика.
Конструктивно, терморезистор R1 размещается на радиаторе транзисторов, которые обдувает вентилятор. Подстроечным резистором R2 при настройке схемы добиваются старта вентилятора при пороговой (начальной) температуре.
В качестве VT1 подойдет любой полевой транзистор с напряжением стока выше 20 В и сопротивлением канала в открытом состоянии менее 0,5 Ома.
Если напряжение питания не стабилизировано, то порог срабатывания схемы будет плавать, со всеми вытекающими последствиями. В этом случае полезно будет запитать терморезистор от стабильного источника питания, например -78L09.
Ниже приведен модернизированный вариант этой схемы. В данной схеме предусмотрена возможность независимой регулировки как минимальных оборотов при нормальной температуре, так и температуру, с которой обороты вентилятора начинают увеличиваться.
Здесь цепь R5, R6,VD2 позволяет установить минимальные обороты вентилятора при нормальной ( начальной) температуре при помощи подстроечного резистора R5. А резистором R7 устанавливают температуру, с которой вентилятор переходит на повышенные обороты.
Как и в предыдущих схемах, блокировочные конденсаторы необходимы при эксплуатации устройства в условиях воздействия мощных высокочастотных наводок-например ламповый усилитель мощности КВ диапазона. В других случаях в их установке нет необходимости.
Терморезисторов-датчиков температуры может быть несколько и установленных в разных местах. Вентиляторов тоже может быть несколько. В этом случае возможно ( но необязательно) будет необходимым предусмотреть небольшой радиатор для регулирующего транзистора.
Вид собранной платы системы автоматического управления обдувом, управляющий транзистор установлен со стороны печатных проводников:
Печатная плата, вид со стороны проводящих дорожек:
Все три схемы, приведенные в этой статье мною опробованы и продемонстрировали надежную и стабильную работу.
Обновление от 13.01.2020
Изготовил еще два варианта подобных регуляторов. Без использования терморезисторов.
Статья с подробным описанием здесь.
Простая схема управление вентилятором или кулером охлаждения
В данной схеме управление вентилятором или кулером системы охлаждения происходит по сигналу термистора в течении заданного периода времени. Схема простая, собрана всего на трех транзисторах.
Эта система управления может быть использована в самых разных областях жизни, где необходимо охлаждение посредством вентилятора, например, охлаждения материнской платы ПК, в усилителях звука, в мощных блоках питания и в иных устройствах, которые в ходе своей работы могут перегреваться. Система представляет собой сочетание двух устройств: таймера и термореле.
Описание работы схемы управления вентилятором
Когда температура низкая, сопротивление термистора высокое и, следовательно, первый транзистор закрыт, потому что на его базе напряжение ниже 0,6 вольт. В это время конденсатор на 100 мкФ разряжен. Второй PNP-транзистор так же закрыт, поскольку напряжение на базе равно напряжению на его эмиттере. И третий транзистор так же заперт.
При повышении температуры, сопротивление термистора уменьшается. Таким образом, напряжение на базе первого транзистора увеличивается. Когда это напряжение превысит 0,6 В, первый транзистор начинает пропускать ток заряжая конденсатор 100 мкФ и подает отрицательный потенциал на базу второго транзистора, который открывается и включает третий транзистор, который в свою очередь активирует реле.
После того, как вентилятор включается, температура уменьшается, но конденсатор 100 мкФ разряжается постепенно, сохраняя работу вентилятора в течение некоторого времени после того, как температура приходит в норму.
Подстроичный резистор (показан на схеме как 10 ком) должен иметь значение сопротивления около 10% от сопротивления термистора при 25 градусах. Термистор применен марки EPCOS NTC B57164K104J на 100 кОм. Таким образом, сопротивление подстрочного резистора (10%) получается 10 кОм. Если вы не можете найти эту модель можно использовать другой. Например, при использовании термистора 470 кОм сопротивление подстроичного составит 47 кОм.
Схема подключения вентилятора с питанием от 12 вольт.
Схема подключения вентилятора с питанием от 220 вольт
В печатной плате можно увидеть два подстроичных резистора. Первый на 10 кОм для регулирования порога срабатывания вентилятора, второй на 1 мОм позволяет регулировать время работы после нормализации температуры. Если вам нужен больший интервал времени, то конденсатор на 100 мкФ можно увеличить до 470 мкФ. Диод 1N4005 используется для защиты транзистора от индуктивных выбросов в реле.
Источник
Интеллектуальное реле управления вентилятором охлаждения двигателя / Habr
Прочитав пост mrsom о пересадке микроконтроллерной начинки в ретротахометр от Жигулей, решил рассказать об одной своей давней микроконтроллерной разработке (2006 год), сделанной для плавного управления электровентилятором охлаждения двигателей переднеприводных моделей ВАЗа.Надо сказать, что на тот момент уже существовало немало разнообразных решений — от чисто аналоговых до микроконтроллерных, с той или иной степенью совершенства выполняющих нужную функцию. Одним из них был контроллер вентилятора компании Силычъ (то, что сейчас выглядит вот так, известной среди интересующихся своим автоматическим регулятором опережения зажигания, программно детектирующим детонационные стуки двигателя. Я некоторое время следил за форумом изготовителя этих устройств, пытаясь определить, чтов устройстве получилось хорошо, а что — не очень, и в результате решил разработать свое.
По задумке, в отличие от существующих на то время решений, новый девайс должен был a) помещаться в корпус обычного автомобильного реле;
б) не требовать изменений в штатной проводке автомобиля; в) не иметь регулировочных элементов; г) надежно и устойчиво работать в реальных условиях эксплуатации.
История появления девайса и алгоритм работы первой версии обсуждалась здесь — для тех, кто не хочет кликать, опишу ключевые вещи инлайн:
-1. Алгоритм работы устройства предполагался следующий: измерялось напряжение на штатном датчике температуры двигателя; по достижении нижней пороговой температуры вентилятор начинал крутится на минимальных оборотах, и в случае дальнейшего роста линейно увеличивал скорость вращения вплоть до 100% в тот момент, когда по мнению ЭСУД (контроллера управления двигателем), пора бы включать вентилятор на полную мощность.
То есть, величина температуры, соответствующая 100% включению могла быть получена при первом включении устройства, т.к. оно имеет вход, соответствующий выводу обмотки штатного реле.
Нижний порог в первой версии нужно было каким-то образом установить, проведя таким образом через две точки линейную характеристику регулирования.
0. При токах порядка 20А очевидно, что для плавного регулирования применяется ШИМ, а в качестве ключевого элемента — мощный полевик.
1. Размещение устройства в корпусе обычного реле означает практическое отсутствие радиатора теплоотвода. А это в свою очередь накладывает жесткие требования к рассеиваемой ключевым элементом мощности в статическом (сопротивление канала) и динамическом (скорость переключения) режимах — исходя из теплового сопротивления кристалл-корпус она не должна превышать 1 Вт ни при каких условиях
2. Решением для п.1 может являться либо применение драйвера полевика, либо работа на низкой частоте ШИМ.
В отличие от аналогов, из соображений компактности и помехозащищенности был выбран вариант с низкой частотой ШИМ — всего 200 Гц.
3. Работа устройства со штатной проводкой и датчиком температуры неминуемо приводит к ПОС, т.к. ТКС штатного датчика температуры — отрицательный, а при включенном вентиляторе из-за конечно сопротивления общего провода и ‘проседания’ бортсети измеряемое на датчике напряжение неминуемо падает. Стабилизировать же, или использовать четырехпроводную схему включения нельзя — изменения в штатной проводке запрещены.
С этим решено было бороться программно — измерением напряжения на датчике только в тот момент, когда ключ ШИМ выключен — то есть паразитное падение напряжения отсутствует. Благо, низкая частота ШИМ оставляла достаточно времени для этого.
4. Программирование порога включения устройства должно быть либо очень простым, либо быть полностью автоматическим. Изначально в устройстве был установлен геркон, поднесением магнита к которому сквозь корпус программировался нижний порог (значение естественно, запоминалось в EEPROM). Верхний порог устанавливался сам в момент первого импульса от контроллера ЭСУД.
В дальнейшем я придумал и реализовал алгоритм полностью автоматической установки порогов, основанный на нахождении термостабильной точки двигателя (точки срабатывания термостата) в условиях отсутствия насыщения по теплопередаче радиатор-воздух.
5. Устройство должно предоставлять диагностику пользователю. Для этого был добавлен светодиод, который промаргивал в двоичном коде два байта — текущий код АЦП и слово флагов состояния.
Устройство было собрано частично навесным монтажом прямо на выводах бывшего реле, частично на подвернувшейся откуда-то печатной платке.
Силовой MOSFET выводом стока был припаян прямо к ламелю вывода реле, что увеличило запас по рассеиваемой мощности. Устройство без глюков проработало на ВАЗ-2112 c 2006 по 2010 год, когда я его снял перед продажей, и побывало не только в холодном питерском климате, но и на горных крымских дорогах (да еще на машине в наддувном варианте — стоял у меня на впуске приводной компрессор), несмотря на монтаж уровня прототипа и контроллер в панельке.
Вот оригинальная схема (рисовал только на бумаге):
А это вид устройства изнутри:
Устройство было повторено несколькими людьми, один из них (офф-роудер Геннадий Оломуцкий из Киева) применил его на УАЗе, нарисовав схему в sPlan и разведя печатную плату — в его варианте это выглядит так:
— схема, печатка и последняя версия кода лежат здесь: http://code.google.com/p/mc-based-radiator-cooling-fan-control-relay
А вот кусок из переписки с одним из повторивших этот девайс — в нем впервые детально выписан алгоритм (!) — до этого писал прямо из мозга в ассемблер:
Теперь идея и реализация собственно алгоритма автоустановки (все шаги ниже соответствуют неустановленным порогам):
1. Ждем сигнала включения вентилятора от ЭСУД (либо от датчика температуры в радиаторе в варианте Геннадия)
2. Запоминаем температуру в момент появления сигнала как T1 (реально запоминается код канала АЦП оцифровки сигнала датчика — назовем его C1)
3. Включаем вентилятор на 100%. Ставим флаг «режим автоустановки активен (бит 3)»
4. Через 3 секунды считываем код АЦП (назовем его C1′). Это действие нужно для того, чтобы определить величину компенсации значения температуры из-за влияния тока, протекающего через вентилятор, и вызванного им падения напряжения в измерительной цепи, на оцифрованное значение температуры. Реально за 3 секунды мотор не успевает охладиться, зато вентилятор стартует и выходит на номинальный ток.
5. Вычисляем коррекцию АЦП для 100% мощности вентилятора (назовем ее K100 = C1 — C1′). Запоминаем К100.
6. Ждем снятия сигнала включения вентилятора от ЭСУД (либо отключения датчика в радиаторе).
7. Плавно снижаем мощность с 75% до 12% примерно на 1.5% в секунду.
8. Выключаем вентилятор, ждем 60 секунд.
9. Запоминаем температуру как T2 (код АЦП С2).
10. Корректируем нижний порог (увеличиваем на 1/8 разницы между верхним и нижним), для того, чтобы он был выше термостабильной точки термостата. T2 = T2 + (T1 — T2) / 8. В кодах АЦП это C2 = C2 — (C2 — C1) / 8, т.к. напряжение на датчике с ростом температуры падает.
11. Сохраняем C1, C2, K100 во внутреннем EEPROM реле.
12. Устанавливаем флаг «пороги установлены» (бит 5), снимаем флаг «режим автоустановки активен», выходим из режима автоустановки в рабочий режим
Идея алгоритма в том, что он продувает радиатор до термостабильной точки термостата, но дует не сильно, чтобы не остужать двигатель прямым охлаждением блока и головки. Затем вентилятор выключается и реле дает мотору чуть нагреться — таким образом мы автоматически получаем точку для начала работы вентилятора.
Во время автоустановки реле воспринимает сигнал с геркона в течение шагов 7 и 8 — поднесение магнита к реле в эти моменты вызывает последовательность шагов 9, 11, 12. Коррекция порога на шаге 10 при этом не производится).
Если во время автоустановки нарушились некоторые ожидаемые реле условия, устанавливается флаг «ошибка автоконфигурации (бит 4)» и реле выходит из режима автоустановки. Чтобы реле опять смогло войти в этот режим по условию шага 1, надо выключить и включить питание реле.
Ошибки ловятся такие:
Шаг 2 — значение АЦП вне диапазона (слишком низкое или высокое). Диапазон автоконфигурации по коду АЦП 248..24 (11111000…00011000). В этом случае реле просто не входит в режим автоконфигурации без установки флага ошибки.
Шаг 4 — в течение времени ожидания 3 секунд обнаружено снятие внешнего сигнала включения вентилятора.
Шаг 7 — во время снижения оборотов обнаружен активный внешний сигнал включения вентилятора Шаг 8 — во время ожидания обнаружен активный внешний сигнал включения вентилятора Шаг 11 — установленные пороги вне диапазона 248..24, либо разница C2 — C1 < 4 (то есть они слишком близко друг к другу, либо по какой-то причине C2 > C1 — например, когда вентилятор на самом деле не срабатывает, и температура продолжает расти)
Теперь рабочий режим:
Расчет требуемой мощности (Preq)
1. Если внешний сигнал активен — Preq = 100% 2. Если неактивен, то смотрится текущий код АЦП © и соответствующая ему температура T:
T < T2 (C > C2): Preq = 0%
T > T1 (C < C1): Preq = 100%
T2 <= T <= T1 (C2 >= C >= C1): Preq = Pstart + (100% — Pstart) * (C2 — C) / (C2 — C1), где Pstart = начальная мощность (12%)
При этом, требуемая мощность не сразу подается на вентилятор, а проходит через алгоритм плавного разгона и органичения частоты пуска/останова вентилятора.
Этот алгоритм работает только в рабочем режиме и при отсутствии внешнего сигнала включения:
Пусть Pcurr — текущая мощность вентилятора
1. Если Pcurr > 0 и Preq = 0, либо Pcurr = 0 и Preq > 0 — то есть требуется запуск остановленного или останов работающего вентилятора, то:
— Смотрится время находжения вентилятора в данном состоянии (запущен или остановлен). Если время меньше порога — состояние вентилятора не меняется.
— При этом, если Pcurr > Pstart и Preq = 0, то на остаток времени запущенного состояния устанавливается Pcurr = Pstart (то есть вентилятор крутится на минимальных оборотах) 2. Если п.1 не выполняется, либо время нахождения в состоянии прошло, то:
— Если Preq < Pcurr, то устанавливается Pcurr = Preq (то изменение скорости вращения в сторону снижения происходит сразу, как рассчитано новое значение)
— Если Preq > Pcurr, то набор скорости вращения ограничивается сверху величиной примерно 1.5% в секунду (кроме случая, когда включение вентилятора запрашивается внешним сигналом) — то есть если Preq — Pcurr > Pdelta, то Pcurr = Pcurr + Pdelta, иначе Pcurr = Preq
Теперь про алгоритм оцифровки значения АЦП датчика и компенсации паразитной обратной связи при работе вентилятора:
При расчете мощности используется усредненное значение кода текущей температуры С (см. Расчет требуемой мощности), получаемое средним арифметическим последних 8 значений Сm1, Cm2, Cm3… Cm8. Усреднение происходит методом «скользящего окна» — то есть помещение нового значения в буфер из 8 значений выталкивает наиболее старое и вызывает пересчет среднеарифметического С. Цикл АЦП (и пересчет среднего) происходит каждые 640 мс.
«Сырое» (считанное из АЦП) значение Cadc, прежде чем попадет в буфер подсчета, участвует в следующем алгоритме:
1. Проверяется, что Cadc > Cdisc, где Cdics — макс. Значение АЦП для неподключенного измерительного вывода.
2. Если Cadc > Cdisc, то выставляется флаг «датчик не подключен (бит 6)», значение не попадает в буфер 8 последних значений, и пересчет среднего не выполняется.
3. Если Cadc >= Cdisc — то есть датчик подключен, то Сadc корректируется на определенную величину в зависимости от текущей мощности вентилятора и величины коррекции для 100% мощности (см. шаг 4 алгоритма автоустановки): Cadc = Cadc + Кcurr, где Кcurr = К100 * (Pcurr / 100%). Если при этом Кcurr > 0, то устанавливается флаг «значение АЦП скорректировано (бит 7)». Алгоритм коррекции работает только в рабочем режиме и не работает в режиме автоконфигурации.
4. Выполняется ограничение отрицательной динамики Cadc, чтобы подавить резкие снижения С из-за импульсной нагрузки в общих с датчиком температуры цепях питания автомобиля: Если C — Cadc > Сdelta, то Cadc = C — Cdelta. Ограничение не работает в течение первых 15 секунд после включения зажигания, для того, чтобы в буфере значений быстро сформировались правильные значения Cm1, Cm2…Cm8.
5. Скорректированное по мощности и динамике значение Cadc заталкивается в буфер значений для усреднения как Cm1..Cm8 в зависимости от текущего значения указателя головы буфера (буфер циклический, указатель головы принимает значения от 1 до 8).
Теперь про диагностику светодиодом:
Первый байт — это «сырой» код АЦП (в ранних версиях здесь индицировалось среднее значение C) Второй байт — слово состояния Между первым и вторым байтом пауза порядка 1.5 секунд.
Между циклами индикации пауза 3-4 секунды.
Байты индицируются побитно, начиная со старшего (бит 7, бит 6,… бит 0).
Длинная вспышка соответствует биту, установленному в «1», короткая — в «0».
Расшифровка слова состояния:
Бит 7 — значение АЦП откорректировано по текущей мощности вентилятора
Бит 6 — датчик температуры не подключен
Бит 5 — пороги установлены
Бит 4 — ошибка установки порогов
Бит 3 — режим автоконфигурации активен
Бит 2 — внутренний сброс процессора из-за зависания — нештатная ситуация
Бит 1 — внешний сигнал включения вентилятора активен
Бит 0 — режим продувки при остановке двигателя активен
Когда я описал алгоритм, то удивился как его удалось впихнуть в 1024 слова программной памяти tiny15. Однако, со скрипом, но поместился! ЕМНИП, оставалось всего пару десятков свободных ячеек. Вот что такое сила Ассемблера 🙂
UPD: Многие спрашивают ссылку на скачивание кода — вот ссылка на страницу, на которой можно кликнуть на Download и получить архив: https://code.google.com/archive/p/mc-based-radiator-cooling-fan-control-relay/source/default/source
Пропорциональное управление вентилятором охлаждения двигателя автомобиля
Автолюбителю
Главная Радиолюбителю Автолюбителю
Предлагаемое устройство позволяет перейти от релейного принципа управления вентилятором системы охлаждения двигателя «температура выше нормы — включён, ниже нормы — выключен» к более, по мнению автора, благоприятному для двигателя пропорциональному управлению. Теперь с ростом температуры охлаждающей жидкости частота вращения ротора вентилятора линейно увеличивается.
Сегодня во многих автомобильных двигателях вентилятор охлаждения имеет электрический привод, но управляют им в большинстве случаев по релейному принципу. Такое управление имеет только одно достоинство — простоту реализации. Достаточно иметь датчик температуры с контактным выходом, непосредственно или через промежуточное реле управляющий электродвигателем вентилятора.
Основной недостаток этого метода — резкое снижение температуры охлаждающей жидкости на выходе радиатора после включения вентилятора. Работающий на полную мощность вентилятор понижает температуру охлаждающей жидкости на выходе радиатора на 15…25 оС и более. Поступая в рубашку охлаждения двигателя, существенно охлаждённая жидкость наносит термоудар по горячим поверхностям, что негативно сказывается на работе двигателя. Для его комфортной работы температуру охлаждающей жидкости желательно поддерживать близкой к оптимальной, рекомендуемой заводом-из-готовителем, а резкие скачки температуры (термоудары) должны быть исключены в принципе.
На части автомобилей, имеющих механический привод вентилятора охлаждения, это достигнуто соединением вентилятора с коленчатым валом двигателя через вискомуфту. Она изменяет передаваемый на вал вентилятора крутящий момент в зависимости от температуры охлаждающей жидкости. Это стабилизирует температурный режим.
Предлагаемое устройство представляет собой электронный аналог виско-муфты для вентилятора с электрическим приводом. Оно автоматически регулирует частоту его вращения в зависимости от температуры охлаждающей жидкости.
Устройство работает от бортсети автомобиля при напряжении в ней 10…18 В и может управлять вентилятором с максимальным потребляемым током до 20 А или до 30 А при условии увеличения площади теплоотвода силовых элементов. Собственное потребление тока устройством не превышает нескольких миллиампер. Значения температуры включения вентилятора с минимальной частотой вращения и температуры, при которой частота вращения вентилятора достигает максимума, задают с дискретностью 0,1 оС при программировании микроконтроллера.
При отказе датчика температуры охлаждающей жидкости устройство переходит в аварийный режим, позволяющий безопасно для двигателя доехать до ремонтной мастерской.
Схема устройства изображена на рис. 1. Измеряет температуру цифровой датчик DS18B20 (BK1). Применение этого датчика позволяет отказаться от калибровки изготовленного устройства и улучшает его повторяемость.
Рис. 1. Схема устройства
Информацию о температуре считывает с датчика микроконтроллер ATtiny2313A-PU (DD1), который тактируется импульсами частотой 1 МГц от внутреннего RC-генератора. Пропорционально температуре он регулирует напряжение питания двигателя вентилятора и, следовательно, частоту вращения его ротора. На двигатель поступает импульсное напряжение, постоянная составляющая которого, определяющая частоту вращения, зависит от коэффициента заполнения (отношения длительности импульсов к периоду их повторения). Коэффициент заполнения программа задаёт восьмиразрядными двоичными числами, загружаемыми в регистр сравнения работающего в режиме ШИМ таймера микроконтроллера.
Сформированные микроконтроллером импульсы управляют работой силового ключа на полевом транзисторе VT1, замыкающего и размыкающего цепь питания двигателя вентилятора от бортовой сети автомобиля. При этом постоянная составляющая приложенного к двигателю напряжения равна
U = U0 (N / 255), где U0 — напряжение в бортсети, В; N — число, загруженное в регистр микроконтроллера.
Её можно изменять с шагом ΔU = U0 / 255.
При напряжении в бортсети 12 В ΔU≈0,05 В, что позволяет регулировать частоту вращения вентилятора практически плавно.
Для обеспечения надёжной работы ключевого транзистора VT1 в переходных режимах микроконтроллер управляет им через драйвер TC4420EPA (DA1). Современные полевые транзисторы, имея очень малое сопротивление открытого канала (единицы миллиом), способны коммутировать значительный ток даже без применения теплоотвода. Однако большая входная ёмкость полевого транзистора, доходящая у мощных приборов до нескольких тысяч пикофарад, в процессе его переключения заряжается и разряжается. Это занимает тем больше времени, чем больше выходное сопротивление источника управляющего сигнала.
Плохо то, что в процессе перезарядки ёмкости полевой транзистор находится в активном режиме и сопротивление его канала довольно велико. Поэтому за время переключения в кристалле транзистора выделяется значительная мощность, что может привести к его перегреву и необратимому повреждению. Единственный способ борьбы с этим явлением — ускорение процесса перезарядки. Для этого полевыми транзисторами управляют через специализированные усилители (драйверы), имеющие низкое выходное сопротивление и обеспечивающие большой (до нескольких ампер) импульсный зарядно-разрядный ток. Это обеспечивает быструю перезарядку входной ёмкости полевого транзистора и, следовательно, минимизирует продолжительность его работы в активном режиме и снижает рассеиваемую на нём мощность.
Резистор R4 поддерживает на входе драйвера низкий логический уровень напряжения во время запуска микроконтроллера, пока все его выходы остаются в высокоимпедансном состоянии. Это исключает ненужное в это время открывание транзистора VT1. Диод VD1 устраняет импульсы ЭДС самоиндукции, возникающие в обмотках двигателя вентилятора в моменты закрывания транзистора VT1.
Во время работы программа микроконтроллера постоянно следит за наличием и работоспособностью датчика температуры. Если связи с ним нет, она переходит в аварийный режим работы. В этом режиме независимо от температуры охлаждающей жидкости вентилятор на 33 с будет включён на полную мощность, а затем на такое же время выключен. Конечно, это далеко не оптимальный вариант охлаждения двигателя, но он предотвращает его полный отказ в отсутствие охлаждения. О переходе в аварийный режим сигнализирует включение светодиода HL1. Если нарушение связи с датчиком было временным, после её восстановления устройство переходит в нормальный режим работы.
В программу микроконтроллера для управления вентилятором заложены в виде констант следующие исходные данные:
— Tmin = 87 — температура охлаждающей жидкости, оС, при которой вентилятор должен начинать работать с минимальной частотой вращения;
— Tmax = 92 — температура охлаждающей жидкости, оС, при которой частота вращения вентилятора должна достичь максимального значения;
— N1 = 70 — значение загружаемого в регистр сравнения таймера кода, обеспечивающее вращение ротора вентилятора с минимальной частотой.
Как известно, промышленные датчики, предназначенные для управления работой вентиляторов охлаждения, имеют два основных параметра — температуру включения и температуру выключения. Их и следует выбрать в качестве Tmax и Tmin. Значение N1 нужно задать таким, при котором постоянная составляющая напряжения на двигателе вентилятора равна напряжению его трогания Uтр.
Проблема в том, что напряжение трогания не принято указывать в технических данных вентиляторов, поэтому найти в литературе или в документации значение этого параметра автору не удалось. Его пришлось определять экспериментально. Методика проста — подавая напряжение на двигатель, найти его значение, при котором вал начнёт медленно (оборот за одну-две секунды), но устойчиво вращаться. Для большинства двигателей постоянного тока с номинальным напряжением питания 12 В напряжение трогания лежит в пределах 3…5 В.
При запуске программы микроконтроллер на основании значений Tmax, Tmin и N1 рассчитывает Dn — требуемую крутизну зависимости значения загружаемого регистр сравнения таймера кода от температуры:
Dn = (255 —N1) / (Tmax — Tmin).
Затем начинается главный цикл программы. Прежде всего, происходит проверка связи с датчиком температуры, а при её отсутствии — переход в аварийный режим работы. Такую проверку программа выполняет каждую секунду. Если очередная проверка показывает, что датчик работает, восстанавливается нормальный режим работы.
Когда датчик исправен, он измеряет текущую температуру охлаждающей жидкости T. Если она ниже Tmin, программа выключает вентилятор, в противном случае вычисляет требуемое значение управляющего кода по формуле
N = (T — Tmin)·Dn+N1.
Пропорционально ему будут установлены коэффициент заполнения питающего двигатель напряжения и, следовательно, частота вращения его ротора. В результате температура охлаждающей жидкости при неизменной нагрузке на двигатель поддерживается постоянной. При переменной нагрузке температура колеблется в небольших пределах внутри интервала Tmin…Tmax.
Все детали устройства, за исключением датчика BK1 и светодиода HL1, размещены на печатной плате размерами 58×65 мм, чертёж которой показан на рис. 2, а расположение элементов — на рис. 3.
Рис. 2. Чертёж печатной платы
Рис. 3. Расположение элементов на плате
Микросхемы впаяны непосредственно в плату без панелей, применение которых в условиях повышенной вибрации нежелательно. На плате имеются не показанные на схеме контактные площадки SCK, RST, VCC, MISO, MOSI, GND, к которым на время программирования микроконтроллера припаивают одноимённые провода от программатора. При этом плату и программатор во время программирования следует питать напряжением +5 В (VCC) от одного источника.
Плата рассчитана на установку резисторов и конденсаторов типоразмера 1206 для поверхностного монтажа. Диод SR2040 (URL: http://files.rct.ru/ pdf/diode/5261755198365.pdf (27.06.16)) — в двухвыводном корпусе TO220AC. Вместе с транзистором IRF3808 он закреплён с применением теплопроводной пасты на общем теплоотводе с площадью охлаждающей поверхности около 60 см2.
Принцип крепления транзистора 5 или диода к теплоотводу 1 и всего узла к печатной плате 2 показан на рис. 4. Диод изолирован от теплоотвода слюдяной прокладкой, а от крепящего винта 4 и металлической втулки 3 — изоляционной втулкой (изолирующие элементы на рисунке не показаны). Между корпусами диода и транзистора находится третья точка крепления теплоотвода к плате. Здесь он также закреплён винтом и втулкой.
Рис. 4. Принцип крепления транзистора или диода к теплоотводу и всего узла к печатной плате
Все печатные проводники платы, по которым течёт ток двигателя вентилятора, должны быть покрыты слоем припоя толщиной не менее 0,7… 1 мм, а сечение подводящих проводов должно обеспечивать пропускание этого тока.
Светодиод HL1 целесообразно вынести в салон автомобиля, чтобы водитель имел оперативную информацию о текущем режиме работы устройства.
Датчик DS18B20 (ВК1) следует поместить в корпус от штатного контактного датчика температуры охлаждающей жидкости, из которого предварительно следует удалить всю «начинку». Такой корпус можно и выточить из латуни с сохранением габаритных и присоединительных размеров. Размещение датчика DS18B20 в корпусе показано на рис. 5. Датчик 4 с припаянным к его выводам разъёмом 1 помещают в полость корпуса 3 так, чтобы его верхушка, на которую нанесён слой теплопроводной пасты 5, касалась дна полости.
Рис. 5. Размещение датчика DS18B20 в корпусе
После этого полость заливают термостойким герметиком 2.
Разъём 1 должен иметь антикоррозийное покрытие контактов, бытьбрызгозащищённым, надёжно фиксировать ответную часть, не допуская её отстыковки под действием вибрации. Подготовленный датчик устанавливают на место штатного.
Собранная плата помещена в корпус подходящих размеров, который размещён в моторном отсеке автомобиля. В корпусе предусмотрены вентиляционные отверстия.
Микроконтроллер ATtiny2313A может быть заменён другим семейства AVR, имеющим как минимум один 8-разрядный и один 16-разрядный таймер и не менее 2 Кбайт программной памяти. Естественно, замена микроконтроллера потребует перекомпиляции программы и, возможно, изменения топологии печатной платы.
Вместо неинвертирующего драйвера нижнего плеча TC4420EPA можно использовать другой подобный, например, MAX4420EPA.
Диод с барьером Шотки SR2040 можно заменить аналогичным с допустимым обратным напряжением не менее 25 В и допустимым прямым током не менее рабочего тока вентилятора. Однако диоды Шотки с обратным напряжением более 40 В применять не рекомендуется, так как большее прямое падение напряжения на таком диоде приведёт к возрастанию тепловыделения.
Замену полевому транзистору IRF3808 с изолированным затвором и каналом n-типа следует подбирать с опустимым постоянным током стока при температуре 100 °C в 2,5…3 раза больше рабочего тока вентилятора и с сопротивлением открытого канала при рабочем токе вентилятора до 20 А — не более 10 мОм, а 20…30 А — не более 7 мОм. Допустимое напряжение сток-исток должно быть не менее 25 В, а затвор-исток — не менее 20 В.
Правильно собранное из исправных деталей устройство потребует налаживание только в том случае, если исходные данные в прилагаемом варианте программы, о которых было сказано ранее, не соответствуют требуемым. В этом случае их нужно откорректировать в исходном тексте программы, заново откомпилировать его в среде разработки Bascom AVR и загрузить в память микроконтроллера вместо приложенного к статье файла Cooler-test.hex полученный HEX-файл.
Если напряжение трогания двигателя вентилятора неизвестно, его можно определить экспериментально. Для этого в память микроконтроллера вместо рабочей программы нужно загрузить разработанную мной отладочную программу. В приложенном к статье файле Cooler-test.hex содержатся её коды. Конфигурацию микроконтроллера программируют одинаково для рабочей и тестовой программ в соответствии с рис. 6, где показано окно установки конфигурации программатора AVRISP mkII.
Рис. 6. Программирование микроконтроллера
Через 3 с после включения питания программа Cooler-test начинает управлять вентилятором, постепенно увеличивая от 55 до 95 шагами по 5 единиц код, задающий коэффициент заполнения питающего вентилятор импульсного напряжения. Это примерно соответствует изменению постоянной составляющей этого напряжения от трёх до пяти вольт. Длительность каждой ступени — 10 с, в течение которых вентилятор и светодиод HL1 включены, и пауза длительностью 5 с, в течение которой напряжение с вентилятора снято, а светодиод погашен. Об окончании работы программы сигнализирует серия из пяти коротких вспышек светодиода.
Наблюдая за светодиодом, несложно определить, на какой ступени вентилятор начал вращаться, и определить значение N1, которое следует записать в основную программу.
Работу устройства в аварийном режиме проверяют, отключив разъём от датчика температуры. При этом вентилятор должен включиться и работать на полную мощность в прерывистом режиме (33 с — работа, 33 с — пауза). Светодиод HL1 при этом должен светиться. Его желаемую яркость устанавливают подборкой резистора R3.
Программы микроконтроллера можно скачать здесь.
Автор: А. Савченко, пос. Зеленоградский Московской обл.
Дата публикации: 29.11.2016
Мнения читателей
- sergeistudent / 05.11.2017 — 00:10
всем привет, ребята сбросьте пожалуйста хекс на значение N1 55 пожалуйста у меня винт сильно быстро разгоняетса а басикома нету на почту [email protected] заранее спасибо - Андрей Л / 12.06.2017 — 19:18
Подскажите пожалуйста ,как управлять двигателем вентилятора по плюсовой части питания? Что для этого нужно изменить в схеме и прошивке микроконтроллера?
Вы можете оставить свой комментарий, мнение или вопрос по приведенному вышематериалу:
Умный вентилятор | Практическая электроника
Простому блоку питания нужен “умный вентилятор”, который охлаждает радиатор 317-й микросхемы. Причем не «тупой», который крутится постоянно, создавая лишний шум и пожирая лишнюю энергию, а такой, который работает ровно столько, сколько нужно, включаясь тогда, когда нужно. Вентилятор позволяет сэкономить на радиаторе – а стало быть, на размерах корпуса блока питания. В наш век компьютеров, вентилятор подходящих размеров добыть не проблема.
А вот управлять его работой – другой вопрос, с которым я и столкнулся.
Можно соорудить схему управления вентилятором на микроконтроллере. Нужен датчик температуры, ШИМ и программа управления. Казалось бы: что может быть проще с точки зрения схемотехники?
Но тут в дело вступает простая экономика. Самый дешевый из распространенных микроконтроллеров, нужный для этих целей – это ATTiny13. Он стоит недорого, но стОит. И где его взять колхознику? Далее: его ШИМ нужно усилить полевиком, который тоже стоит денег на рынке, недоступном для замкадовца… И самое главное: микроконтроллеру на вход, чтоб все было безупречно, надо подключить датчик температуры 1wire типа DS18B20. А он тоже стоит денег. И крепить на радиатор его неудобно. Если все эти «стоит» просуммировать, получится приличная сумма.
И тут я вспомнил о своем «аналоговом» прошлом, и помог мне в этом мой старый товарищ по радиолюбительству. Простой усилитель на составном транзисторе обеспечит мои нужды в управлении мотором вентилятора. Составной транзистор можно собрать из двух биполярных советских транзисторов, коих масса в старой теле- аудиоаппаратуре.
А вот где взять аналоговый датчик температуры, да такой, за которым не надо ехать на радиорынок и платить за него деньги? Причем, этот датчик (в отличие от DS18B20 и простых термосопротивлений) должен обеспечивать БЕСПРОБЛЕМНОЕ крепление к радиатору микросхем БП, при этом имея максимальный тепловой контакт с этим самым радиатором. Тут пришлось «покумекать» самому.
Поиски в Интернете привели к использованию в этом качестве советских транзисторов серии КТ81… Эксперименты с ними дали неутешительные результаты. И тут мой взгляд упал на выпаянные из дохлых компьютерных БП сборки диодов Шоттки. Тип, оказавшийся у меня – PHOTRON PSR10C40CT. Я замерил сопротивление двух встречно включенных диодов, и оказалось, что оно крайне зависимо от температуры.
В результате, я построил такую схему:
Вход схемы подключается к выпрямительному мосту БП. В зависимости от настройки, вентилятор может включаться даже при изменении температуры корпуса диодной сборки от комнатной до температуры пальцев человека. Прикрутить такой «датчик» к радитору БП не представляет проблем: сборка имеет отверстие для крепежа под винт М3 и нехилую площадь теплового контакта с радиатором.
Напряжение на входе схемы не должно превышать максимально допустимое напряжение микросхемы-стабилизатора. Настройка сводится к изменению сопротивления подстроечного резистора при выбранной температуре так, чтобы вентилятор начал вращаться. При повышении температуры, частота вращения будет увеличиваться.
Вот из этих радиоэлементов я собирал свою схему:
Слева направо:
– подстроечный резистор
– трехвыводный стабилизатор напряжения LM7815
– диодная сборка PSR10C40CT
– транзистор КТ815В
– транзистор BC547
На макетной плате все это выглядит вот так:
А посмотрев вот это видео, можно сразу понять принцип работы собранного устройства:
Удачи!
Автор – Вадим Борт
Автоматическое управление вентилятором | Все своими руками
Опубликовал admin | Дата 22 января, 2016Не так давно попался в руки блок питания Enhance P520N от домашнего компьютера. Помимо основной платы блока питания, в ней обнаружилась еще небольшое устройство. Это был терморегулятор скорости вращения вентилятора. Схема простенькая, содержит всего два транзистора, четыре резистора, диод и конденсатор. Схема устройства показана на рисунке 1.
Данный регулятор можно применять не только для блоков питания, но и в усилителях мощности низкой частоты, сварочных аппаратах, мощных преобразователях, регуляторах мощности и т.д. Зачем зря жужжать, если все ПП (полупроводниковые приборы) холодные. Диод VD1, стоящий на плате и в указанной схеме по всей вероятности нужен только в конкретном ИИП, поэтому его можно убрать. На плате стоит диод 1N4002. Первый транзистор можно заменить на отечественный — КТ3102. Импортный транзистор C1384 по документации рассчитан на ток коллектора 1А, напряжение коллектор-эмиттер 60В, постоянная рассеиваемая мощность коллектора 1 ватт. Можно попробовать заменить на наш КТ814 с любой буквой или на КТ972. Электролитический конденсатор должен быть на напряжение 16 вольт.
Начальную скорость вращения вентилятора выбирают изменением величины сопротивления резистора R1. Схема работает следующим образом. Когда температура внутри контролируемого объема или непосредственно теплоотвода ПП невысокая, то транзистор VT2 призакрыт и вентилятор имеет не большую скорость вращения. При увеличении температуры начинает уменьшаться сопротивление терморезистора Rt, что в свою очередь приведет к уменьшению напряжения на базе VT1, начнет уменьшаться и ток коллектора этого транзистора. Уменьшение тока через первый транзистор приведет к увеличению тока база-эмиттер второго транзистора VT2 (уменьшится шунтирующее действие транзистора VT1 на переход база-эмиттер VT2). Транзистор VT2 начнет открываться, напряжение на вентиляторе начнет возрастать, Скорость его вращения увеличится.
Для большей универсальности в схему можно ввести стабилизатор напряжения, например, КР142ЕН8Б. У этой микросхемы максимальное входное напряжение во всем диапазоне температур равно 35 вольт.
Вид платы показан на фото 1, а рисунок печатной платы на рисунке 2.
В случае применения поверхностного монтажа, плату можно будет закрепить непосредственно на контролируемом теплоотводе для ПП, сделав в ней соответствующее отверстие для винта крепления.
Обсудить эту статью на — форуме «Радиоэлектроника, вопросы и ответы».
Просмотров:9 613
