Управление включением вентилятора для поддержания оптимальной температуры радиатора охлаждения. Часть 1

ON Semiconductor KA278RXXC NCS20071

Журнал РАДИОЛОЦМАН, июнь 2019

Алексей Кузьминов, Москва

В статье представлены схемы, разводка плат и фотографии недорогих миниатюрных устройств управления включением-выключением вентиляторов охлаждения радиаторов силовых элементов мощных усилителей и источников питания (ИП) в зависимости от температуры их нагрева. Применение современной элементной базы и простота схем устройств позволили на порядок снизить их стоимость по сравнению с подобными устройствами промышленного изготовления, а также существенно уменьшить производимый ими шум.

Введение

В процессе эксплуатации усилителя [1], работающего совместно с ИП [2], было выявлено, что при их работе в режиме максимальной мощности или близком к нему радиаторы охлаждения как самого усилителя, так и ИП нагреваются до неприемлемо высокой температуры (до 50 °C и выше), тогда как при малых и средних мощностях (а это львиная доля всех режимов работы) температура радиаторов находится на приемлемом уровне, то есть конвективный способ охлаждения радиаторов в таких режимах вполне себя оправдывает. Снизить температуру радиаторов, как известно, можно двумя способами: либо увеличив площадь поверхности радиаторов, либо применив принудительное охлаждение с помощью вентиляторов. Первый способ, на взгляд автора, излишне затратен, так как стоимость радиаторов напрямую зависит от их размера и для достаточно габаритных радиаторов может достигать единиц тысяч рублей. Охлаждение радиаторов вентиляторами (второй способ) связан с приобретением промышленных дорогостоящих устройств охлаждения на основе вентиляторов и датчиков температуры, стоимость которых еще выше: например, подобные устройства на основе двух вентиляторов и датчика температуры, найденные автором в Интернете, продаются по цене от 2 тысяч рублей и выше. Кроме того, шум, создаваемый подобными устройствами, неприемлемо высок (до 40 дБ и более). В то же время существуют вентиляторы, применяемые для охлаждения видеокарт. Это наиболее современные, малогабаритные и малошумные (до 20 дБ) вентиляторы, стоимость которых не превышает 100 руб. Но устанавливать подобные вентиляторы на радиаторы охлаждения и включать их на постоянную работу также неприемлемо, поскольку, как отмечалось выше, уже при средних уровнях мощности принудительно охлаждать радиаторы не требуется, и даже такой малый уровень шума (20 дБ), особенно при малых уровнях громкости (мощности), может создать дискомфортное восприятие музыкального сигнала.

У автора возникла идея: а нельзя ли сконструировать электронное устройство охлаждения на базе вентиляторов и датчика температуры, которое бы включало вентиляторы только при достаточно высоком нагреве радиаторов, а при слабом нагреве не включало их вообще. Анализ схем подобных устройств, найденных автором в Интернете, показал, что таких схем масса: начиная от самых простых, сконструированных на дискретных компонентах (например, на базе термистора и полевого транзистора), и кончая достаточно сложными с применением биполярных транзисторов и ОУ. Однако ни одна из подобных схем автора не устроила, поскольку, на его взгляд, все они либо достаточно сложны, либо сконструированы с применением устаревшей элементной базы, из-за чего имеют достаточно крупные габариты.

В связи с вышеизложенным, автором была разработана собственная схема такого устройства, которое показало надежную работу, имело достаточно миниатюрные габариты, а стоимость входящих в него электронных компонентов не превысила 100 руб.

Описание подобного устройства и является предметом настоящей статьи.

Таким образом, дальнейшее изложение будет построено следующим образом. Вначале будут приведены принципиальные схемы устройств (их два), затем – разводка их плат и фотографии. Далее будет рассмотрен способ их настройки (градуировка) и, наконец, приведены результаты их работы.

Принципиальные схемы устройств

Для того чтобы понять принципиальную схему устройства, предназначенного для включения-выключения вентилятора в зависимости от температуры радиатора, прежде всего, необходимо уяснить, что представляет собой датчик температуры, используемый в схеме. Таким датчиком является термистор (терморезистор, термометр сопротивления и т.п.). Это полупроводниковый прибор, сопротивление которого зависит от температуры. Причем, с увеличением температуры сопротивление термистора уменьшается, или, другими словами, он имеет отрицательный температурный коэффициент (Negative Temperature Coefficient – NTC). Он так и называется: NTC-термистор, или просто – NTC. Зависимость сопротивления NTC от температуры нелинейна, поэтому, чтобы существенно линеаризовать эту зависимость, применяют классический мост Уитстона совместно с ОУ в дифференциальном включении (Рисунок 1а, [3]). Баланс такого моста наступает при условии R2/Rt = R1/R3, где Rt – как раз и есть сопротивление термистора. При равенстве R1 = R3, очевидно, что порог переключения в схеме Рисунок 1а будет составлять U/2, где U – напряжение питания. Другими словами, если напряжение на инвертирующем входе ОУ ниже порога U/2, то выходное напряжение будет иметь высокий потенциал, равный напряжению питания U (при условии, что ОУ обладает свойством Rail-To-Rail, означающим, что он способен воспроизвести выходной сигнал в диапазоне напряжений вплоть до напряжений питания и «земли»). Если же это входное напряжение выше порога, то выходное напряжение будет иметь нулевой («земляной») потенциал. Однако если входное напряжение находится близко к порогу, то это приведет к частым переключениям. Для того чтобы избавиться от таких частых переключений, необходимо ввести в схему некоторый гистерезис. Подобным свойством, как известно, обладает триггер Шмитта, сконструированный (в том числе) на ОУ (Рисунок 1б, [3]). Это свойство триггер Шмитта приобретает за счет введения положительной обратной связи с помощью резистора R3. Размах напряжения гистерезиса в этой схеме составляет [3]:

  (1)

Если теперь объединить схемы Рисунок 1а и Рисунок 1б или, другими словами, ввести положительную обратную связь RОС в схему 1а, то получим схему уже с гистерезисом (Рисунок 1в), которая и является основой для принципиальной схемы устройства. Из уравнения (1) следует, что для схемы Рисунок 1в при фиксированных значениях R1 и R3 и при их равенстве R1=R3=RГ размах напряжения гистерезиса UГИСТ будет определяться (при заданном U) отношением RГ/2RОС: чем оно меньше, тем уже гистерезис.

Использование фильтра третьего порядка с частотой среза 30 кГц позволяет наблюдать выходной сигнал усилителя класса D с помощью осциллографа.
Рисунок 1. Использование моста Уитстона (а) и триггера Шмитта (б) в структурной схеме
измерения температуры (в).

Здесь необходимо отметить, что все предыдущие рассуждения касались только электрических параметров схем (в основном, напряжений), а как обстоит дело, когда имеется реальная температура, и как при этом условии будет работать схема? Для этого необходимо произвести градуировку схемы (см. далее), или, другими словами, подобрать номинал резистора R2 (Рисунок 1в) таким образом, чтобы при превышении температурой верхнего порога вентиляторы включались, а при температуре ниже определенного порога – выключались.

И последнее, наиболее важное свойство схемы Рисунок 1в, которое следует особо подчеркнуть. Как видно из этой схемы, точка соединения резистора R2 и термистора Rt подключена к инвертирующему входу ОУ. Это означает, что при повышении напряжения в этой точке и пересечения им (напряжением) верхнего порога выходное напряжение ОУ скачком переключается в низкий уровень (потенциал «земли»), а при снижении напряжения и пересечения им нижнего порога, выходное напряжение скачком переключается в высокий уровень (напряжение питания). Кроме того, поскольку термистор подключен к нижней части плеча R2Rt и имеет отрицательный температурный коэффициент, при увеличении температуры сопротивление Rt начинает уменьшаться, и в связи с этим напряжение в точке соединения R2 и Rt (то есть на инвертирующем входе ОУ) начинает снижаться, а при уменьшении температуры – повышаться. Из этого следует, что верхний порог температуры соответствует нижнему порогу напряжения, а нижний порог температуры – верхнему порогу напряжения на инвертирующем входе ОУ.

Вышеизложенное означает, что при повышении температуры и пересечении верхнего порога температуры выходное напряжение ОУ скачком переключается в высокий уровень (напряжение питания), а при снижении температуры и пересечении нижнего порога температуры, выходное напряжение ОУ скачком переключается в низкий уровень (потенциал «земли»). Это основное свойство схемы и будет использовано в дальнейшем при объяснении работы уже принципиальных схем.

Теперь, после таких подробных объяснений, на взгляд автора, несложно понять и принципиальную схему устройства (Рисунок 2). Как видно из этой схемы, в качестве ОУ использована микросхема одноканального ОУ OPA170 (DA2). Этот относительно современный Rail-To-Rail ОУ выпускается (в том числе) в миниатюрном корпусе SOT23-5 размером 3×3 мм и имеет максимальное напряжение питания 36 В. Вместо ОУ OPA170 можно использовать ОУ NCS20071, являющийся почти полным аналогом OPA170, но несколько дешевле его. Можно также использовать еще более дешевый ОУ ТS321 (стоимостью около 20 руб. с максимальным напряжением питания 30 В) или LM321 (30 руб., 30 В), но у него другое расположение выводов, так что потребуется иная разводка схемы (приведена в дополнительных материалах к статье).

Принципиальная схема включения вентилятора с помощью ОУ и полевого транзистора.
Рисунок 2. Принципиальная схема включения вентилятора с помощью ОУ и полевого транзистора.

Схема включения ОУ (Рисунок 2), как можно заметить, в точности повторяет схему Рисунок 1в. Выход ОУ через токоограничивающий резистор R5 подключен к затвору транзистора VT1, выпускаемого в полностью изолированном корпусе TO-220F (50N06L-TF3-T). Исток транзистора заземлен, а нагрузка – вентиляторы и мигающий светодиод со своим токоограничивающим резистором R6 – подключена между стоком транзистора и питанием (+12 В). Вентиляторы подключены через двухштырьковый цанговый разъем PSLM-2 с расстоянием между штырьками 2.54 мм (XFan). Через такие же разъемы подключены: светодиод (Xled), термистор (XNts) и входное напряжение питания +14 В (X+14). Сама же схема питается от стабилизированного напряжения +12 В, получаемого с помощью стабилизатора LM2940CT-12 (DA1) в корпусе TO-220 с низким падением напряжения (Low Drop Out – LDO), составляющим не более 0.5 В (типовое значение) и максимальным током 1 А. Использование стандартного стабилизатора (например, 7812 или 78M12) исключено, поскольку его падение напряжения составляет не менее 2 В (без нагрузки), поэтому при входном напряжении +14 В и дополнительной нагрузке в 300 – 400 мА (такой ток потребляют вентиляторы) этот стабилизатор не обеспечит стабилизированное напряжение +12 В.

Ко всем четырем разъемам подключаются двухпроводные кабели, которые одним концом, соответственно, соединены: с напряжением питания +14 В (Рисунок 3а), термистором (Рисунок 3б), светодиодом (Рисунок 3в) и вентиляторами (Рисунок 3г), а на вторых их концах расположены цанговые двухконтактные гнезда SIP2, являющиеся ответными к цанговым штырям PSLM-2, расположенным на плате устройства (Рисунок 2).

Кабели подключения питания (а), термистора (б), светодиода (в) и вентиляторов (г).
Рисунок 3. Кабели подключения питания (а), термистора (б), светодиода (в) и вентиляторов (г).

Кабель питания состоит из двух проводов МГТФ-0.3, кабели для термистора и светодиода – из двух проводов МГТФ-0.1, а кабели для вентиляторов – из тех же проводов, с которыми поставляются вентиляторы. Здесь необходимо отметить, что из вентилятора выходит кабель из трех проводов, который на конце имеет 3-штырьковый разъем – гнездо HU-03 (Рисунок 4). Эти три провода маркируются разными цветами: черный («земля»), красный (+12 В) и желтый – датчик числа оборотов вентилятора, предназначенный для его подключения к тахометру (Т). Этот провод не используется, а потому удаляется. Он может быть либо просто «откушен» кусачками в том месте, где он отходит от вентилятора, либо, что сделано автором, вообще отпаян от контакта, расположенного под липкой пленкой на корпусе вентилятора (ее край необходимо отлепить и после отпайки провода прилепить на место).

Контакты вентилятора.
Рисунок 4. Контакты вентилятора.

Светодиод целесообразно установить на лицевой поверхности корпуса усилителя или ИП в зависимости от того, где он используется, термистор прикрепляется к задней поверхности радиатора охлаждения (об этом подробно написано далее), вентиляторы укрепляются на радиаторах охлаждения (см. далее), а кабель питания +14 В припаивается к проводам с напряжением питания усилителя или ИП.

Литература

  1. Кузьминов А. Усовершенствованный УМЗЧ на базе ИУ и мощных ОУ. Современная электроника. 2019. № 5.
  2. Кузьминов А. Усовершенствованный двуполярный стабилизатор на ОУ и мощных полевых транзисторах с токовой защитой и ультранизким уровнем пульсаций. Радиолоцман. 2019. № 3.
  3. Хоровиц П., Хилл У. Искусство схемотехники. Мир. 1993.
  4. Кузьминов А. Технология изготовления печатных плат с высоким разрешением в любительских условиях. Радио. 2017. № 10.
  5. Кузьминов А. Как использовать фольгу обратной стороны односторонней печатной платы в качестве общего провода. Радио. 2019. № 2.

Материалы по теме

  1. Datasheet ON Semiconductor KA278RXXC
  2. Datasheet Texas Instruments LM2940C
  3. Datasheet ON Semiconductor NCS20071
  4. Datasheet Texas Instruments OPA170
  5. Datasheet Vishay SQD50N06

Окончание

KA278RXXC на РадиоЛоцман.Цены
2A Output Low Dropout Voltage Regulators
ПоставщикПроизводительЦена
ТаймЧипсFairchildпо запросу
Для комментирования материалов с сайта и получения полного доступа к нашему форуму Вам необходимо зарегистрироваться.
Имя