Как называется регулятор оборотов вентилятора

Обновлено: 30.04.2024

Компактные электрические вентиляторы, благодаря невысокой цене, используются для охлаждения оборудования уже больше полувека. Тем не менее только в последние годы технологии управления вентиляторами стали значительно развиваться. В этой статье описано как и почему это развитие имело место быть и предложены некоторые полезные решения для разработчиков.

Один из трендов электроники - это создание компактных устройств, обладающих богатой функциональностью. Поэтому большинство электронных компонентов приобретают все меньшие размеры. Один из очевидных примеров - современные ноутбуки. Толщина и вес ноутбуков значительно уменьшается, но потребляемая мощность остается прежней или увеличивается. Другой пример - проекционные системы и телевизионные ресиверы.

В ноутбуках большая часть тепла выделяется процессором, в проекторе - источником света. Это тепло необходимо бесшумно и эффективно удалять из системы. Самый тихий способ избавления от тепла - это использование пассивных охлаждающих компонентов, таких как радиаторы или тепловые трубки. Однако для многих популярных пользовательских устройств такой способ неэффективен и дорог.

Другой способ удаления тепла - это активное охлаждение с использованием вентиляторов, создающих поток воздуха вокруг нагревающихся компонентов. Однако вентилятор являются источником шума и, кроме того, увеличивает суммарное энергопотребление устройства, что может быть критично при питании от аккумулятора. Также добавление вентилятора увеличивает количество механических компонентов в системе, что отрицательно сказывается на надежности изделия.

Контроль скорости вращения вентилятора позволяет уменьшить описанные недостатки. Поскольку запуск вентилятора на меньших оборотах снижает шум и энергопотребление и увеличивает срок его службы.

Существует несколько типов вентиляторов и способов их контроля. Один из вариантов классификации вентиляторов может быть таким:

1. 2-х проводные вентиляторы
2. 3-х проводные вентиляторы
3. 4-х проводные вентиляторы

Методы управления вентиляторами, обсуждаемые в этой статье, такие:

1. управление отсутствует
2. on/ff управление
3. линейное управление
4. низкочастотная широтно-импульсная модуляция (ШИМ, PWM)
5. высокочастотное управление

2-х проводные вентиляторы имеют только выводы питания - плюс и земля. В 3-х проводных вентиляторах добавляется тахометрический выход. На этом выходе присутствует сигнал, частота которого пропорциональна скорости вращения вентилятора. 4-х проводные вентиляторы, помимо выводов питания и тахометрического выхода, имеют вход управления. На этот вход подается ШИМ сигнал и ширина импульса этого сигнала определяет скорость вращения вентилятора.

2-х проводными вентиляторами можно управлять регулируя напряжение питания или скважность ШИМ сигнала. Однако без тахометрического сигнала невозможно понять на сколько быстро вентилятор вращается. Такая форма управления скоростью вращения вентилятора называется открытым контуром (open-loop).

3-х проводными вентиляторами можно управлять аналогичным образом, но в этом случае у нас есть обратная связь. Можно анализировать тахосигнал и устанавливать требуемую скорость. Такая форма управления называется закрытым контуром (closed-loop).

Если управлять вентилятором регулируя напряжение питания, тахосигнал будет иметь форму меандра. И в этом случае тахосигнал будет всегда валидным, пока на вентиляторе есть напряжение. Такой сигнал показан на рисунке 1 (ideal tach).

При управлении вентилятором с помощью ШИМ - ситуация сложнее. Тахометрический выход вентилятора обычно представляет собой открытый коллектор. Поэтому тахосигнал будет валидным только при наличии напряжения на вентиляторе (on фаза ШИМ сигнала), а при отсутствии (off фаза) он будет подтягиваться к высокому логическому уровню. Таким образом тахосигнал становится "порубленным" управляющим ШИМ сигналом и по нему уже нельзя достоверно определять скорость вращения. Этот сигнал показан на рисунке 1 (tach).

Рисунок 1. Идеальный тахосигнал и тахосигнал при внешнем ШИМ управлении.

Для решения данной проблемы, необходимо периодически включать вентилятор на такой отрезок времени, который позволит получить несколько достоверных циклов тахосигнала. Такой подход реализован в некоторых контроллерах фирмы Analog Device, например в ADM1031 и ADT7460.

4-х проводные вентиляторы имеют ШИМ вход, который управляет коммутацией обмоток вентилятора к плюсовой шине источника питания. Такая схема управления не портит тахосигнал, в отличии от стандартной, где используется внешний ключ и коммутируется отрицательная шина. Переключение обмоток вентилятора создает коммутационный шум. Чтобы "сдвинуть" этот шум за пределы звукового диапазона частоту ШИМ сигнала обычно выбирают больше 20 кГц.

Еще одно преимущество 4-х проводных вентиляторов - это возможность задания низкой скорости вращения - до 10% от максимальной скорости. На рисунке 2 показана разница между 3-х и 4-х проводными вентиляторами.

Рисунок 2. 3-х и 4-х проводные вентиляторы

Управление отсутствует

Простейший метод управления вентилятором - отсутствие какого-либо управления вообще. Вентилятор просто запускается на максимальной скорости и работает все время. Преимущества такого управления - гарантированное стабильное охлаждение и очень простые внешние цепи. Недостатки - уменьшение срока службы вентилятора, максимальное энергопотребление, даже когда охлаждение не требуется, и непрерывный шум.

On/off управление

Следующий простейший метод управления - термостатический или on/off. В этом случае вентилятор включается только тогда, когда требуется охлаждение. Условие включения вентилятора устанавливает пользователь, обычно это какое-то пороговое значение температуры.

Подходящий датчик для on/off управления - это ADM1032. Он имеет выход THERM, который управляется внутренним компаратором. В нормальном состоянии на этом выходе высокий логический уровень, а при превышении порогового температурного значения он переключается на низкий. На рисунке 3 показан пример цепи с использованием ADM1032.

Рисунок 3. Пример on/off управления

Недостаток on/off контроля - это его ограниченность. При включении вентилятора, он запускается на максимальной скорости вращения и создает шум. При выключении он полностью останавливается и шум тоже прекращается. Это очень заметно на слух, поэтому с точки зрения комфорта такой способ управления далеко не оптимальный.

Линейное управление

При линейном управлении скорость вращения вентилятора изменяется за счет изменения напряжения питания. Для получения низких оборотов напряжение уменьшается, для получения высоких увеличивается. Конечно, есть определенные границы изменения напряжения питания.

Рассмотрим, например, вентилятор на 12 вольт. Для запуска ему требуется не меньше 7 В и при этом напряжении он, вероятно, будет вращаться с половинной скоростью от своего максимального значения. Когда вентилятор запущен, для поддержания вращения требуется уже меньшее напряжение. Чтобы замедлить вентилятор, мы можем понижать напряжение питание, но до определенного предела, допустим, до 4-х вольт, после чего вентилятор остановится. Эти значения будут отличаться в зависимости от производителя, модели вентилятора и конкретного экземпляра.

5-и вольтовые вентиляторы позволяют регулировать скорость вращения в еще меньшем диапазоне, поскольку их стартовое напряжение близко к 5 В. Это принципиальный недостаток данного метода.

Линейное управление вентилятором можно реализовать на микросхеме ADM1028. Она имеет управляющий аналоговый выход, интерфейс для подключения диодного температурного датчика, который обычно используется в процессорах и ПЛИС, и работает от напряжения 3 - 5.5 В. На рисунке 4 показан пример схемы для реализации линейного управления. Микросхема ADM1028 подключается ко входу DAC.

Рисунок 4. Схема для реализации линейного управления 12-и вольтового вентилятора

Линейный метод управления тише, чем предыдущие. Однако, как вы могли заметить, он обеспечивает маленький диапазон регулировки скорости вращения вентилятора. 12-и вольтовые вентиляторы при напряжении питания от 7 до 12 В, позволяют устанавливать скорость вращения от 1/2 от максимума до максимальной. 5-и вольтовые вентиляторы при запуске от 3,5 - 4 В, вращаются практически с максимальной скоростью и диапазон регулирования у них еще меньше. Кроме того, линейный метод регулирования не оптимален с точки зрения энергопотребления, потому что снижение напряжения питания вентилятора выполняется за счет рассеяния мощности на транзисторе (смотри рисунок 4). И последний недостаток - относительная дороговизна схемы управления.

Наиболее популярный метод управления скоростью вращения вентилятора - это ШИМ управление. При таком методе управления вентилятор подключается к минусой шине питания через ключ, а на управляющий вход ключа подается ШИМ сигнал. В данном случае к вентилятору всегда приложено либо нулевое, либо рабочее напряжение питания и не возникает таких энергопотерь, как при линейном методе управления. На рисунке 5 показана типовая схема реализующая ШИМ управление.

Рисунок 5. ШИМ управление.

Преимущество данного метода управления - простота реализации, дешевизна, эффективность и широкий диапазон регулирования скорости вращения. Однако недостатки у этого метода тоже есть.

Один из недостатков ШИМ управления - это "порча" тахосигнала. Этот недостаток можно устранить, используя так называемую pulse stretching технику, то есть удлиняя импульс ШИМ сигнала на несколько периодов тахосигнала. Конечно, при этом скорость вращения вентилятора может немного увеличится. На рисунке 6 показан пример.

Рисунок 6. Удлинение импульса для получения информации о скорости вращения.

Другой недостаток ШИМ управления - это коммутационный шум. Во-первых коммутация индуктивной нагрузки вызывает появление помех в цепях питания, во-вторых может возникать акустический шум - пищание, жужжание. Электрические шумы подавляют фильтрами, а для борьбы с акустический шумом частоту ШИМ сигнала поднимают до 20 кГц.

Также стоит снова упомянуть о 4-х проводных вентиляторах, в которых схема управления уже встроена. В таких вентиляторах коммутируется плюсовая шина питания, что помогает избежать проблем с тахосигналом. Одна из микросхем, предназначенных для реализации ШИМ управления 4-х проводными вентиляторами, - это ADT7467. Условная схема приведена на рисунке 7.

Рисунок 7. Схема ШИМ управления 4-х проводным вентилятором

Подводя итоги можно сказать, что наиболее предпочтительный метод управления вентилятором - это высокочастотное ШИМ управление, реализованное в 4-х проводных вентиляторах. При таком управлении отсутствует акустический шум, значительные энергопотери и проблемы с тахосигналом. Кроме того, он позволяет менять скорость вращения вентилятора в широком диапазоне. Схема ШИМ управления с коммутацией отрицательной шины обладает практически теми же достоинствами и является более дешевой, но портит тахосигнал.

Схема регуляторов скорости вращения вентиляторов — необходимые радиоэлементы для сборки, инструкции по монтажу своими руками, видео.

Регулятор скорости вентилятора — простая схема

Предлагаемая ниже схема обеспечивает простую регулировку оборотов вентилятора без контроля оборотов. В устройстве использованы отечественные транзисторы КТ361 и КТ814. Конструктивно плата размещается непосредственно в блоке питания, на одном из радиаторов. Она имеет дополнительные посадочные места для подключения второго датчика (внешнего) и возможность добавить стабилитрон, ограничивающий минимальное напряжение, подаваемое на вентилятор.

Список необходимых радиоэлементов:

2 биполярных транзистора — КТ361А и КТ814А.
Стабилитрон — 1N4736A (6.8В).
Диод.
Электролитический конденсатор — 10 мкФ.
8 резисторов — 1х300 Ом, 1х1 кОм, 1х560 Ом, 2х68 кОм, 1х2 кОм, 1х1 кОм, 1х1 МОм.
Терморезистор — 10 кОм
Вентилятор.

Фото готового регулятора скорости вентилятора:

Регулятор вентилятора с датчиком температуры

Как известно, вентилятор в блоках питания компьютеров формата AT вращается с неизменной частотой независимо от температуры корпусов высоковольтных транзисторов. Однако блок питания не всегда отдает в нагрузку максимальную мощность. Пик потребляемой мощности приходится на момент включения компьютера, а следующие максимумы — на время интенсивного дискового обмена.

Уменьшить износ вентилятора и снизить общий уровень шума, создаваемого компьютером можно, применив автоматический регулятор частоты вращения вентилятора, схема которого показана на рисунке. Датчиком температуры служат германиевые диоды VD1–VD4, включенные в обратном направлении в цепь базы составного транзистора VT1VT2. Выбор в качестве датчика диодов обусловлен тем, что зависимость обратного тока от температуры имеет более выраженный характер, чем аналогичная зависимость сопротивления терморезисторов. Кроме того, стеклянный корпус указанных диодов позволяет обойтись без каких-либо диэлектрических прокладок при установке на теплоотводе транзисторов блока питания.

Необходимые радиодетали:

2 биполярных транзистора (VT1, VT2) — КТ315Б и КТ815А соответственно.
4 диода (VD1-VD4) — Д9Б.
2 резистора (R1, R2) — 2 кОм и 75 кОм (подбор) соответственно.
Вентилятор (M1).

Следует отметить, что число диодов датчика температуры зависит от статического коэффициента передачи тока составного транзистора VT1, VT2. Если при указанном на схеме сопротивлении резистора R2, комнатной температуре и включенном питании крыльчатка вентилятора неподвижна, число диодов следует увеличить.

Необходимо добиться того, чтобы после подачи напряжения питания она уверенно начинала вращаться с небольшой частотой. Естественно, если при четырех диодах датчика частота вращения окажется значительно больше требуемой, число диодов следует уменьшить.

Схема регулятора скорости вентилятора для уменьшения шума

В отличии от схемы, которая замедляет обороты вентилятора после старта (для уверенного запуска вентилятора), данная схема позволит увеличить эффективность работы вентилятора путем увеличения оборотов при повышении температуры датчика. Схема также позволяет уменьшить шум вентилятора и продлить его срок службы.

Необходимые для сборки детали:

Биполярный транзистор (VT1) — КТ815А.
Электролитический конденсатор (С1) — 200 мкФ/16В.
Переменный резистор (R1) — Rt/5.
Терморезистор (Rt) — 10–30 кОм.
Резистор (R2) — 3–5 кОм (1 Вт).

Если ваш вентилятор иногда не запускается даже при сильном нагреве (паяльник поднести), то нужно добавить цепочку С1, R2. Тогда R1 выставляем так, чтобы вентилятор гарантированно запускался при подаче напряжения на холодный блок питания. Через несколько секунд после заpяда конденсатора, обороты падали, но полностью вентилятор не останавливался. Теперь закрепляем датчик и проверяем, как все это будет крутится пpи реальной работе.

Rt — любой терморезистор с отрицательным ТКЕ, например, ММТ1 номиналом 10–30 кОм. Терморезистор крепится (приклеивается) через тонкую изолирующую прокладку (лучше слюдяную) к радиатору высоковольтных транзисторов (или к одному из них).

Видео о сборке регулятора оборотов вентилятора:

Канальные вентиляторы служат для обеспечения перемещения воздуха в помещении. Простые приборы эффективны и применяются в жилых, коммерческих, промышленных зданиях. Но иногда нужна регулировка скорости канального вентилятора. В статье мастер сантехник расскажет, как увеличить или уменьшить скорость вращения вентилятора можно с помощью контроллера скорости.

Принцип работы вентилятора

Вентилятор в общем виде – ротор с закрепленными определенным образом лопатками. При вращении лопатки сталкиваются с воздухом и отбрасывают его в некотором направлении. По конструкции различают:

Любой вентилятор в силу специфики конструкции работает на полную мощность. Это приводит к быстрому износу прибора и поломкам. Максимально мощный поток воздуха требуется не все время. Чтобы уменьшить обороты вентилятора, нужно подключить специальное устройство.
Способы регулирования скорости вращения вентиляторных двигателей

При использовании вентиляторов часто возникает необходимость регулирования частоты вращения. В системах вентиляции это позволяет экономить электроэнергию, снизить уровень акустического шума, настроить необходимую производительность притока или вытяжки.
На настоящий момент широко распространены способы регулирования частоты вращения при помощи изменения электрических параметров питания вентилятора:

Изменение напряжения питания двигателя;
Изменение частоты питающего напряжения.

Регулирование напряжением осуществляется понижением питающего напряжения вентилятора. Преимуществом регулирования частоты вращения вентилятора изменением напряжения питания в относительно невысокой стоимости устройств, работающих по такому принципу. Известны следующие виды устройств для регулирования оборотов вентилятора при помощи понижения напряжения питания:

Ступенчатые регуляторы частоты вращения с использованием автотрансформаторов;
Тиристорные регуляторы скорости вращения;
Электронные автотрансформаторы.

Регулирование скорости понижением напряжения связано с изменением, так называемого, скольжения двигателя. При этом обязательно выделяется энергия скольжения - из-за чего сильнее нагреваются обмотки двигателя. При регулировании скорости таким способом необходимо устанавливать двигатели завышенной мощности. Но несмотря на это, этот способ используется довольно часто для двигателей небольшой мощности с вентиляторной нагрузкой.

Регулирование вентилятора частотой питающего тока возможно осуществить при помощи частотного привода. У частотных приводов много преимуществ, но есть один существенный недостаток – их цена. Кроме того, они громоздки. Используемые в быту и для коммерческого использования вентиляторы обычно имеют невысокую цену. Вряд ли покупатель бытового вентилятора согласиться приобрести для него регулятор стоимостью, в десятки раз превышающую стоимость самого вентилятора. Поэтому в этой статье мы частотные приводы рассматривать не будем.

Ступенчатые регуляторы частоты вращения с использованием автотрансформаторов

Работа ступенчатых регуляторов скорости основана на использовании автотрансформаторов. Управление данными регуляторами осуществляется путем ступенчатого изменения напряжения питания. Регулирование скорости осуществляется вручную. Автотрансформатор - это обычный трансформатор, но с одной обмоткой и с отводами от части витков.

Принцип работы этого контроллера состоит в следующем. На вход автотрансформатора Т1 подается питающее напряжение 220 В. Обмотка имеет несколько ответвлений от части витков. При подключении нагрузки к ответвлениям, потребитель получает уменьшенное напряжение питания. С помощью переключателя SW1 мотор вентилятора M подключается к нужной части обмотки и скорость его вращения меняется. При понижении питающего напряжения снижается потребление электроэнергии. Сигнал на выходе – чистая синусоида, что благотворно влияет на состояние обмотки двигателя. Недостатком является большой размер блока управления. Ручка регулировки имеет ступенчатую шкалу, как правило, не более пяти положений. Плавно управлять скоростью вращения невозможно.

Тиристорные (симисторные) регуляторы скорости вращения

Электронный автотрансформатор работает по принципу широтно-импульсной модуляции. Транзисторная схема, модулируя импульсы – плавно изменяет выходное напряжение. Достоинства такого контроллера – компактные размеры и невысокая стоимость. Недостаток – длина кабеля от контроллера до мотора ограничена, не более 5 метров (этот недостаток устраняется при использовании дистанционного регулятора). Поэтому блок автотрансформатора, как правило, выполнен в отдельном корпусе от ручки управления и располагается в непосредственной близости к вентилятору.

Правила подключения устройства

Чтобы правильно установить регулятор, необходимо внимательно ознакомиться с инструкцией к устройству. Большинство моделей рассчитаны на самостоятельный монтаж пользователем и не требуют специальных знаний.

Способы установки контроллеров зависят от типа устройства:

Настенные и внутристенные варианты закрепляют на стену шурупами или дюбелями. Крепеж обычно входит в комплект.
Регулятор подключают к питающему кабелю по схеме, приведенной производителем. Задача сводится к обрезке проводов ноля, фазы и земли и последовательного присоединения жил к входным и выходным клеммам.
Прежде чем начать монтаж, нужно убедиться, что сечение соединительного питающего кабеля соответствует максимальному току подсоединяемого контроллера.
Если вентилятор оснащен собственным выключателем. Последний необходимо демонтировать и заменить на контроллер.

Монтаж регулятора скорости тиристорный ВЕНТС "РC-1-400"

Регулятор должен устанавливаться на вертикальной стене внутри помещений в скрытой монтажной коробке.

Монтаж и подключение должны проводиться только при снятом напряжении сети.

Эксплуатация регулятора с механическими повреждениями корпуса и соединительных проводов;
Попадание влаги и брызг воды на корпус регулятора;
Установка регулятора вблизи нагревательных приборов;
Наличие в окружающем воздухе взрывоопасных и вызывающих коррозию примесей.

Подключение к электрической сети должно проводиться через автоматический выключатель.

Для подключения регулятора к электрической сети необходимо (смотри рис. 1):

Снять ручку управления регулятора (1);
Открутить гайку (2) крепления декоративной крышки и снять декоративную крышку (3);
Открутить шурупы (4) крепления регулятора к монтажной коробке, и снять регулятор (5);
Провести в монтажную коробку (6) соединительные провода;
Установить монтажную коробку в стену;

Зачистить концы проводов на длину 6-7 мм;
Подключить провода к клеммнику, расположенному на плате регулятора, согласно
схеме подключения (рис. 3) и наклейке на клеммнике;

Установить регулятор в монтажную коробку таким образом, чтобы клеммник (смотри рис.2) располагался сверху, и закрепить шурупами.

Для нормальной работы вентилятора, необходимо отрегулировать минимальную скорость вращения вентилятора. Для этого:

Основной проблемой вентиляторов, которые охлаждают ту или иную часть компьютера, является повышенный уровень шума. Основы электроники и имеющиеся материалы помогут нам решить эту проблему своими силами. В этой статье предоставлена схема подключения для регулировки оборотов вентилятора и фотографии как выглядит самодельный регулятор скорости вращения.

Нужно отметить, что количество оборотов в первую очередь зависит от уровня подаваемого на него напряжения. Уменьшая уровень подаваемого напряжения, уменьшается как шум, так и число оборотов.

Схема подключения:

Вот какие детали нам пригодятся: один транзистор и два резистора.

Что касается транзистора, то берите КТ815 или КТ817, также можно использовать мощнее КТ819.

Выбор транзистора зависит от мощности вентилятора. В основном используются простые вентиляторы постоянного тока с напряжением 12 Вольт.

Резисторы нужно брать с такими параметрами: первый постоянный (1кОм), а второй переменный (от 1кОм до 5кОм) для регулировки скорости оборотов вентилятора.

Имея входное напряжение (12 Вольт), выходное напряжение можно регулировать, вращая движковую часть резистора R2. Как правило, при напряжении 5 Вольт или ниже, вентилятор перестает шуметь.

При использовании регулятора с мощным вентилятором советую установить транзистор на небольшой теплоотвод.