Управление включением вентилятора для поддержания оптимальной температуры радиатора охлаждения. Часть 2. Конструкция

Журнал РАДИОЛОЦМАН, июль 2019

Схема Рисунок 2 работает следующим образом. При включении питания, когда температура радиатора комнатная, выходное напряжение ОУ (DA2) имеет низкий уровень (потенциал «земли»). В этом случае на затворе транзистора VT1 низкий уровень, отчего транзистор заперт, в связи с чем светодиод не горит, и вентиляторы не работают. При повышении температуры радиатора (от работы усилителя или ИП) и превышении ею верхнего порога выходное напряжение ОУ скачком переключается в высокий уровень (напряжение питания +12 В), отчего транзистор открывается, включая светодиод и вентиляторы. По мере охлаждения радиатора (от обдува вентиляторами) его температура снижается, и когда она пересекает нижний порог, потенциал на выходе ОУ переключается в низкий уровень, отчего транзистор запирается, выключая светодиод и вентиляторы. Далее процесс повторяется.

Эта схема показала надежную работу, она не содержит труднодоступных комплектующих; их общая стоимость не превышает 100 руб. Кроме того, в связи с простотой схемы её плата легко разводится и имеет размер всего 15×23 мм (см. далее).

Рисунок 5.	Принципиальная схема включения вентилятора с помощью ОУ и стабилизатора с функцией запрета выхода (Vdis).

На Рисунке 5 приведена еще одна (более простая) схема включения вентилятора, но уже без использования полевого транзистора. В схеме применен более современный LDO-стабилизатор с выходным напряжением +12 В – KA278R12 (DA2) и максимальным током 2 А, выпускаемый в полностью изолированном корпусе TO-220F-4L. Отличительная особенность этого стабилизатора – наличие входа запрета Vdis (вывод 4). При подаче на этот вход сигнала низкого уровня («земли») выходное напряжение стабилизатора блокируется, а при подаче высокого уровня (вплоть до входного напряжения), например, +12 В, выходное напряжение становится равным +12 В. Наличие входа Vdis позволяет напрямую подключить к нему выход ОУ, и, таким образом, логика работы схемы (по сравнению со схемой Рисунок 2) остается прежней. Однако для питания самого ОУ и термистора, которые должны работать постоянно, в схеме применен еще один слаботочный LDO-стабилизатор – КР1170ЕН12А (DA3) с максимальным током 100 мА, выпускаемый в трехвыводном корпусе ТО-92 стоимостью не более 20 руб. Микросхема КР1170ЕН-X является аналогом известной микросхемы LM2931-X, однако эта микросхема выпускается только для двух фиксированных напряжений: +3 В и +5 В, тогда как диапазон фиксированных выходных напряжений КР1170ЕН-X более широк и, в частности, содержит в себе напряжение +12 В (а именно – КР1170ЕН12А). В отличие от включения вентиляторов и светодиода с помощью транзистора (Рисунок 2), выходное напряжение стабилизатора DA2 (сигнал +12 F, Рисунок 5) напрямую подается на вывод «+» вентиляторов и анод светодиода (через токоограничивающий резистор R5), a вывод «–» вентиляторов и катод светодиода заземлены. В остальном схема Рисунок 5 аналогична схеме Рисунок 2. Однако в связи с большей простотой схемы её плата имеет меньший размер: 14×21 мм (см. далее). Стоимость комплектующих схемы Рисунок 5 несколько ниже стоимости комплектующих схемы Рисунок 2. Например, стоимость стабилизатора LM2940CT-12 равна стоимости стабилизаторов KA278R12 и КР1170ЕН12А вместе взятых; и это притом, что в схеме Рисунок 5 отсутствует транзистор (а он также стоит денег, хотя и небольших – не более 20 руб.). Схема Рисунок 5 также показала надежную работу.

Разводка плат и их конструкция

а) б)
Рисунок 6.	Разводка платы для схемы Рисунок 2. (а) – сторона дорожек, (б) – обратная сторона.

Разводка плат сделана автором с помощью программы SprintLayout 6.0. Хотя обе платы разведены с одной стороны и могут быть изготовлены [4] с применением одностороннего фольгированного стеклотекстолита (Рисунки 6а и 7а), если имеется возможность применения двустороннего фольгированного стеклотекстолита, то платы могут иметь дополнительный земляной контур [5] (Рисунки 6б и 7б).

а) б)
Рисунок 7.	Разводка платы для схемы Рисунок 5. (а) – сторона дорожек, (б) – обратная сторона.

Плата с разводкой Рисунок 6 не имеет крепежных отверстий, поскольку держится на достаточно жестких выводах стабилизатора и полевого транзистора, т.е. на шести ножках (Рисунок 8). Хотя стабилизатор LM2940CT-12 (DA1, Рисунок 2) в корпусе TO-220 позволяет рассеивать мощность до 2 Вт без использования радиатора, автором было установлено, что при работе вентиляторов его корпус заметно нагревается (приблизительно до 40 °C). В связи с этим для его охлаждения автор установил небольшой радиатор – алюминиевую пластину по площади чуть больше площади платы. Пластина имеет два отверстия диаметром 3 мм, с помощью которых она крепится двумя стойками с внешней и внутренней резьбой М3. К внешней части резьбы одной стойки (на шпильку) крепится корпус стабилизатора гайкой М3 (с применением теплопроводной пасты), а ко второй стойке – корпус транзистора, также гайкой – в качестве дополнительного крепежа (транзистор не нагревается, поэтому не требует охлаждения). Обе стойки крепятся к днищу корпуса (усилителя или ИП) винтами М3 с помощью внутренней резьбы (Рисунок 8б).

а) б)
Рисунок 8.	Фотография платы по схеме Рисунок 2. (а) – со стороны дорожек (без радиатора), (б) – с обратной стороны (в сборе).

Плата с разводкой Рисунок 7 также не имеет крепежных отверстий, так как держится на четырех выводах стабилизатора KA278R12. Эти выводы не такие жесткие, как у стабилизатора LM2940CT-12, однако в связи с тем, что их четыре, крепеж на них достаточно прочен. Для упрочнения крепежа на обратной стороне платы (в разводке) установлены дополнительные контактные площадки (Рисунок 7б), а выводы стабилизатора пропаиваются с двух сторон платы. Сам стабилизатор рассеивает без радиатора мощность около 1.5 Вт, поэтому к стабилизатору также прикручена алюминиевая пластина, по площади примерно равная площади платы. Вся конструкция крепится с помощью всего одной стойки с внутренней и внешней резьбой М3 (Рисунок 9). На гайку, которой прикручен стабилизатор к радиатору (с использованием теплопроводной пасты), приклеен «Секундным» клеем кусочек стеклотекстолита толщиной 0.5 мм (на Рисунке 9б хорошо заметен его край коричневого цвета) во избежание случайного контакта гайки с выводами компонентов.

а) б)
Рисунок 9.	Фотография платы по схеме Рисунок 5.   (а) – со стороны дорожек (без радиатора),   (б) – с обратной стороны (в сборе).

О термисторах

Автором были приобретены три типа термисторов с номинальным сопротивлением 100 кОм: с радиальными выводами – MF52A диаметром 2 мм (Рисунок 10а) и MF11 диаметром 6.5 мм (Рисунок 10б) и с аксиальными выводами – MF58 диаметром чуть менее 2 мм (Рисунок 10в). Стоимость термисторов не превышает 20 руб. Измерение сопротивления термисторов при комнатной температуре показало, что наиболее близки к номиналу термисторы MF52A (100.4 кОм), а вот MF11 (90.4 кОм) и MF58 (89.5 кОм) несколько отличаются от номинала. Термистор MF58, на взгляд автора, неудобен для крепежа, поэтому он был исключен из дальнейшего рассмотрения. К термисторам были припаяны провода МГТФ-0.1; на место пайки одеты ПВХ-трубки (кембрики), а для того чтобы при градуировке в воде (см. далее) сопротивление воды не оказывало влияние на показания, место контакта кембриков с корпусами термисторов и проводами для герметизации было покрыто цапонлаком (зеленого цвета). В процессе градуировки было выявлено, что термистор MF11 в несколько раз более инерционен (из-за его более габаритного корпуса), чем термистор MF52. Так, при удалении из горячей воды (см. далее) температурой 50 °C на воздух (комнатной температуры) показания MF11 достигали номинала за 6 – 7 секунд, а для термистора MF52A – не более 1 секунды. В связи с этим MF11 был также исключен из рассмотрения. Поэтому автор использовал термистор MF52A. Этот недорогой термистор из всех представленных является наиболее современным.

Рисунок 10.	Внешний вид термисторов: (а) – MF52A, (б) – MF11, (в) – MF58.

Термистор можно либо просто приклеить к обратной стороне (ребрам) радиатора теплопроводящим клеем, например, «Радиал» (Рисунок 11а), либо приклеить и для надежности дополнительно прижать скобой (Рисунок 11б). Автором были использованы оба способа, которые показали надежный тепловой контакт термисторов с радиатором.

а) б)
Рисунок 11.	Укрепление термисторов MF52A на радиаторе с помощью теплопроводящего клея:   (а) – простое приклеивание,   (б) – дополнительное прижатие скобой.

Градуировка устройств

Для градуировки к платам были подключены: питание +14 В от отдельного ИП, термистор и светодиод (вентиляторы не подключались). Далее в емкость около 200 мл была налита вода температурой чуть выше 50 °C (51 °C – 52 °C), в которую был опущен ртутный термометр с ценой деления 0.5 °C. В процессе остывания воды (со скоростью примерно 1 °C за 1.5 – 2 минуты) её температура понижалась, и как только она достигала чуть более 50 °C, в воду опускался термистор, а подстроечный резистор R1 (Рисунки 2 и 5) настраивался таким образом, чтобы при температуре 50 °C светодиод зажигался, а при более низкой – не горел. Для этого термистор периодически опускался в воду и вытаскивался из нее. После такой настройки термистор оставался в воде, светодиод горел, и по мере остывания воды наблюдались показания термометра. Как только светодиод гас, фиксировалась нижняя граница температуры по термометру.

Градуировка показала следующее. При номиналах сопротивлений R4 = 150 кОм и R2, R3 по 10 кОм (Рисунок 2), то есть, при отношении (R2||R3)/R4 = 1/30 (см. уравнение 1), нижняя граница температуры составила 46 °C, а ее гистерезис составил 50 °C – 46 °C, то есть, 4 °C. При номиналах сопротивлений R4 = 100 кОм и R2, R3 по 10 кОм (Рисунок 5), то есть, при отношении (R2||R3)/R4 = 1/20, нижняя граница температуры составила 44 °C, и гистерезис, соответственно, составил 50 °C – 44 °C, т.е. 6 °C. Вот вопрос – a что лучше: 50 °C – 46 °C или 50 °C – 44 °C? Как ни странно, однозначного ответа на этот вопрос нет. Чем меньше гистерезис, тем чаще включаются и выключаются вентиляторы и наоборот. С другой стороны, если нижняя граница температуры составит, например, 44 °C, то при максимальной мощности, выделяемой ИП или усилителем, радиатор может нагреться так, что вентиляторы смогут охладить его только до температуры, к примеру, 46 °C, а до 44 °C «не дотянут». В этом случае вентиляторы будут постоянно работать, сводя на нет всю логику работы устройства. В конце концов, можно выбрать среднее отношение между 1/20 и 1/30, например, 1/24; в этом случае гистерезис составит 50 °C – 45 °C, т.е. 5 °C. Автор оставляет подобные эксперименты читателю.

Примененные вентиляторы и конструкция устройств обдува радиаторов

Для охлаждения радиаторов ИП и усилителя автор рекомендует использовать современные вентиляторы для охлаждения видеокарт, поскольку они имеют существенно сниженный уровень шума (до 20 дБ) и недороги (не более 100 руб. за штуку). Применять же вентиляторы для охлаждения системного блока компьютера, имеющие повышенный уровень шума (35 – 40 дБ) и высокую цену (до 500 руб. и более), или процессора компьютера, на взгляд автора, нецелесообразно. Размер вентилятора желательно подбирать по размеру (высоте) радиатора.

Высота радиатора для усилителя у автора составила 6 см, а радиатор для ИП имел высоту 5 см. Поэтому автором были выбраны два типа вентиляторов для охлаждения видеокарт: вентилятор ExeGate Mirage 60×10S размером 60×60×10 мм с подшипником скольжения мощностью 1.2 Вт и вентилятор ExeGate Mirage 50×10H размером 50×50×10 мм с гидродинамическим подшипником мощностью 1 Вт. Стоимость вентиляторов – не более 100 руб. /шт.

Рисунок 12.	Фотография конструкций устройств обдува радиаторов усилителя [1] (сверху) и ИП [2] (снизу).

Вентиляторы были прикручены винтами М3 с гайками к текстолитовым пластинам толщиной 2 мм, в которых были прорезаны отверстия диаметром, соответствующим максимальному диаметру лопастей. Сами же текстолитовые пластины были прикручены винтами М3 и уголками к крайним боковым ребрам радиаторов (Рисунок 12). Провода вентиляторов были пропущены через отверстия в днищах корпусов.

Результаты

Для того чтобы оценить функционирование устройств автором был проведен достаточно жесткий тест, заключающийся в следующем. На вход усилителя был подан синусоидальный сигнал частотой 1 кГц, а его амплитуда была отрегулирована так, чтобы выходной сигнал с усилителя, подключенный к нагрузке 4 Ом, имел амплитуду 16 В. Действующее значение мощности выходного сигнала, как нетрудно подсчитать, в этом случае составило 32 Вт на канал, а поскольку каналов 2 [1] – 64 Вт. Устройство управления вентилятором с гистерезисом 50 °C – 46 °C было подключено к усилителю, а устройство с гистерезисом 50 °C – 44 °C – к ИП. Через несколько минут после включения вентиляторы обоих устройств начали работать, причем, как и следовало ожидать, частота включения-выключения вентиляторов усилителя (с меньшим гистерезисом) была выше (примерно один раз в 3 минуты), чем частота включения-выключения вентиляторов ИП (1 раз в 5 минут). Время работы вентиляторов усилителя составляло около 2 минут, тогда как время работы вентиляторов ИП – около 4 минут. Здесь необходимо отметить, что мощность синусоидального сигнала более чем в два раза превышает мощность звукового сигнала (точнее – сигнала, воспроизводимого с какого-либо музыкального файла), поскольку действующее значение синусоидального сигнала составляет около 70% его амплитуды (точнее, √2/2), а действующее значение музыкального – только 30% от максимального значения его амплитуды. В связи с этим, для того чтобы музыкальный сигнал нагрел радиатор так же, как и синусоидальный, его максимальная амплитуда должна быть в √2 раз больше амплитуды синусоидального. Другими словами, при амплитуде синусоидального сигнала в 16 В, максимальная амплитуда музыкального сигнала (той же мощности) должна быть 16√2 В (≈22.6 В). При этом мгновенная мощность музыкального сигнала на нагрузке в 4 Ом составит 22.6² В/4 Ом ≈128 Вт. Это достаточно высокий показатель, в связи с чем эффективность охлаждения радиаторов вентиляторами налицо, что автора вполне устроило. Разумеется, подобной мощности вряд ли удастся достичь, воспроизведя на этом же усилителе на максимальной громкости даже самый «нагруженный» музыкальный файл, однако при несколько меньшей мощности, но более продолжительном времени работы радиаторы неизбежно могут нагреться до неприемлемой температуры, поэтому принудительное охлаждение радиаторов в этом случае будет своеобразной страховкой (и достаточно эффективной) от перегрева силовых компонентов как самого усилителя, так и ИП.

Заключение

Применение современной элементной базы и несложность схем позволяют конструировать простые миниатюрные устройства, включающие вентиляторы для охлаждения радиаторов силовых элементов мощных усилителей и ИП только при относительно больших выделяемых мощностях, страхуя их от перегрева, тогда как при средних и малых мощностях радиаторы охлаждаются абсолютно бесшумным конвективным способом. По сравнению с аналогичными устройствами промышленного изготовления стоимость комплектующих представленных устройств на порядок меньше, а их шумность при включенных вентиляторах существенно ниже.

Литература

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

Загрузки

1. Файл разводки платы в формате SprintLayout 6.0