Недорогой анемометр борется с пылью

Журнал РАДИОЛОЦМАН, май 2019

Jim Christensen

EDN

Растущие уровни рассеиваемой мощности требуют интенсивного охлаждения, и все больше и больше вентиляторов оказываются в тесных корпусах электронных устройств. Однако пыль, которую вентиляторы затягивают в эти корпуса, может создавать серьезные проблемы для высоконадежных систем. Покрывая теплоотводы и электрически заряженные компоненты, пыль действует как одеяло, увеличивающее эффективное тепловое сопротивление между компонентами и воздухом. Простым способом борьбы с этой проблемой является установка на воздухозаборник одноразового фильтра. Однако если вы не сможете регулярно заменять фильтр, он может забиться и действовать как воздушная заслонка – ситуация, еще более неприятная, чем первоначальная проблема. Попытка обнаружить засорение фильтра путем считывания числа оборотов вентилятора с помощью сигналов тахометра бесполезна, поскольку скорость вращения вентилятора не имеет прямой связи с потоком воздуха. Плохое обслуживание фильтра можно обнаружить, определив фактический поток воздуха с помощью теплового анемометра, но большинство электронных анемометров дороги и громоздки. В качестве альтернативы вы можете создать анемометр с шиной SMBus/I²C, используя преобразователь интерфейсов, несколько недорогих коммутаторов и дешевый дистанционный датчик температуры (Рисунок 1).

Рисунок 1.	Нагревая транзистор Q3 и измеряя время, за которое его температура возвращается к исходному значению, этот анемометр измеряет величину воздушного потока.

Для выключения MOSFET Q₁ и Q₂ и включения аналоговых переключателей IC₂ и IC₃ используйте преобразователь интерфейсов IC₄ с шиной SMBus. Измерьте температуру окружающего воздуха без предварительного нагрева транзистора Q₃. Затем пропустите ток для нагрева Q₃, выключите IC₂ и IC₃ и включите Q₁ и Q₂. Для достижения температурного равновесия обеспечьте «выдержку» длительностью порядка пяти минут. (Точное время нагрева, необходимое для установления равновесия, зависит от конкретного устройства; вы должны определить его экспериментально). Дождавшись равновесия, снимите питание с транзистора Q₃, выключив Q₁ и Q₂, и замкните аналоговые ключи IC₂ и IC₃, чтобы произвести измерения температуры. Воздушный поток напрямую связан со скоростью, с которой падает температура. Вы можете измерить его величину, оценив время, необходимое для того, чтобы температура транзистора вернулась в пределы 1° от ее первоначального значения. Датчик температуры инжектирует небольшой ток в базовый переход, поэтому важно аккуратно развести печатную плату, чтобы не допустить проникновения помех в линии DXP и DXN.

Таблица 1.	Зависимость времени охлаждения от напряжения вентилятора
Напряжение вентилятора (В) Время охлаждения (с) 12 30 8 47 6 60 0 (нет вентилятора) 84

Если выносной транзистор вам нужно установить в воздуховоде, использование витой пары позволит удалить его от схемы на расстояние до 3.5 м. В Таблице 1 показана зависимость напряжения на вентиляторе (воздушного потока) от времени охлаждения для случая, когда датчик температуры размещен примерно в 36 см от вентилятора, работающего на полной скорости (12 В), средней скорости (8 В), низкой скорости (6 В) и нулевой. Времена выдержки могут достигать 30 минут. При включенном нагреве транзистора Q₃ схема потребляет примерно 200 мА. Если такое рассеяние мощности чрезмерно и создает проблемы, можно снизить период измерений до часов или даже суток, поскольку изменения в потоке воздуха происходят очень медленно. Вы также можете запланировать измерения на время низкой активности системы, когда общее энергопотребление мало.

Материалы по теме

Приложение. Команды I²C

Запись в MAX1661 (адрес = 40h):
F3h F2h	Разомкнуть все ключи; затем замкнуть измерительные ключи
Запись в MAX1661 (адрес = 30h):
09h 48h	Запись конфигурации; однократный режим
0Fh	Команда однократного измерения
W 01 R ??h	Чтение окружающей температуры
Запись в MAX1661
F3h F5h	Разомкнуть все ключи; затем включить силовые MOSFET
Выдержка в течение 5 минут
Запись в MAX1661
F3h F2h	Разомкнуть все ключи; затем замкнуть измерительные ключи
Запись в MAX1661
0Fh	Команда однократного измерения
W 01 R ??h	Чтение температуры

Зациклите две последние инструкции и подсчитайте, сколько времени потребуется, чтобы температура упала до начальной температуры окружающей среды + 1°.