Dziś jest środa, 23 październik 2019 r.
Energoelektronika.pl na stronach Facebook REKLAMA MAPA SERWISU KONTAKT
Strona główna Załóż konto Artykuły branżowe Katalog firm Seminaria FAQ Kalendarium Słownik Oferta
Wyszukaj
1USD 3.8408 +0.26% 1EUR 4.2792 +0.04% 1GBP 4.97 -0.02%
Zaloguj się
Login (adres e-mail):
Haslo:
  Rejestracja
  Zapomniałem hasła
Reklama

Reklama

Aktualności
Siemensa buduje fabrykę dla Przemysłu 4.0 w Polsce
więcej
Cykl szkoleń z zakresu programowania sterowników SIMATIC S7-300, S7-1200
więcej
32 edycja targów Energetab 2019 juz za cztery tygodnie
więcej
Nowy cykl szkoleń praktycznych związanych z programowaniem sterowników marki Siemens
więcej

Zobacz archiwum

Kalendarium
23 październik 2019
LUMENexpo Targi Techniki Świetlnej  
więcej
29 październik 2019
73. edycja Seminarium dla Służb Utrzymania Ruchu  
więcej
Newsletter
Jeżeli chcesz otrzymywać aktualne informacje o wydarzeniach w branży.
Podaj e-mail do subskrypcji:


Artykuły branżowe
13 wrzesień 2004.

Inteligentne sterowniki wentylatorów

Inteligentne sterowniki wentylatorów

Chłodzenie systemów zawsze zajmowało poczesne miejsce w projektowaniu urządzeń elektronicznych. W miarę jak urządzenia te przy coraz większej mocy stają się coraz mniejsze, rośnie znaczenie ich chłodzenia. Obecnie, przy dużym stopniu integracji i znacznej złożoności coraz ciaśniej upakowanych układów scalonych, w jednostce powierzchni montażowej wydziela się więcej ciepła niż dawniej.

Oprócz tego większą uwagę przykłada się do estetycznego wyglądu układów elektronicznych, konstruktorzy starają się lepiej je dopasować do otoczenia. Dzieje się to jednak często ze szkodą dla naturalnej wentylacji i dlatego wiele urządzeń wyposaża się w jeden, a czasem więcej wentylatorów, koniecznych do zapewnienia odpowiedniego chłodzenia, często jednak za cenę zwiększenia szumów akustycznych.
Stosowanie wentylatorów jest sprzeczne z wymaganiami bezgłośności komputerów i domowych urządzeń powszechnego użytku. Minimalizacja zakłóceń akustycznych nie tylko jest społecznie oczekiwana, ale wchodzi także w zakres ochrony środowiska naturalnego.

Wprowadzanie wentylatora
Przy wprowadzaniu wentylatora do urządzenia należy bardzo starannie wybrać jego producenta. Szum wytwarzany przez wentylator zależy od nachylenia i liczby jego łopatek, jego rozmiaru, objętości przepływającego powietrza i szybkości obrotowej wirnika. Zależy on także od kształtu wentylatora, rodzaju łożysk (kulkowych czy tulejowych) oraz elektronicznych obwodów komutacyjnych. Hałas wytwarzany przez wentylator jest większy gdy pracuje on w obudowie niż w otwartej przestrzeni, z powodu występujących rezonansów.
Do wykonywania pomiarów szumów wentylatora w otwartej przestrzeni zawiesza się go na sznurze o długości 150mm, a mikrofon umieszcza w odległości 50mm. W ten sposób uzyskuje się najkorzystniejsze dane akustyczne (rys. 1). Gdy ten sam wentylator zostanie umieszczony w obudowie notebooka, hałas wzrasta o około 10dB (rys. 2). Szum wentylatora jest największy przy największej szybkości obrotowej. W celu ograniczenia hałasu wentylator powinien pracować z dużą szybkością jedynie wtedy, gdy jest to niezbędne.

Inteligentny wentylator, czy inteligentne sterowanie?
Zamiast stosowania bardzo skomplikowanego wentylatora o bardzo wielu możliwościach znacznie lepszym rozwiązaniem jest użycie najprostszego i zmuszenie go do inteligentnego działania za pomocą odpowiedniego sterownika. Takie podejście pozwala na użycie każdego dwu- lub trójprzewodowego wentylatora dowolnego producenta.

Pomiar temperatury w systemie
Intensywność chłodzenia powinna być uzależniona od temperatury systemu. Skutkiem chłodzenia niezbyt gorącego systemu jest marnotrawienie energii i generacja niepotrzebnego hałasu. Stopień chłodzenia powinien być dostosowany do temperatury. Zmniejszenie szybkości wentylatora zmniejszy co prawda efekt chłodzenia, ale oszczędzi energię i zredukuje hałas.
W niektórych wentylatorach jest wbudowany termistor, mający służyć do pomiaru temperatury przepływającego powietrza, co pozwala dostosowywać szybkość wentylatora do temperatury. Jednakże wentylatory takie na zmiany temperatury reagują z opóźnieniem. Opóźnienie to może być znaczne, zwłaszcza gdy źródło ciepła jest oddalone od wentylatora. Chłodzenie w takim przypadku okazuje się mało skuteczne, nawet jeśli parametry układu chłodzącego zostały dobrane poprawnie. Dlatego w większości zastosowań ten rodzaj chłodzenia jest mało przydatny.
Optymalnym rozwiązaniem jest bezpośredni pomiar temperatury struktury półprzewodnikowej w najgorętszych układach scalonych. Technika ta eliminuje niedokładności i opóźnienia termiczne pomiaru temperatury za pośrednictwem radiatora. Od wielu lat producenci mikrosterowników umieszczają w nich diody ułatwiające pomiar temperatury struktury. Ostatnio diody takie są umieszczane także w chipsetach i sterownikach graficznych.
W technice określania temperatury potrzebne jest złącze półprzewodnikowe, zatem wystarcza do tego zwykły tranzystor. Może on być z łatwością umieszczany w dowolnych gorących punktach systemu, aby mierzyć w nich temperaturę. Wiele czujników temperatury, starannie rozmieszczonych w różnych miejscach systemu, pozwala lepiej rozpoznawać jego obszary termiczne, zapewniając bardziej inteligentny sposób chłodzenia. Zastosowanie ADM1023, układu scalonego termicznego monitora diodowego (TDM), umożliwia zdalny pomiar temperatury z dokładnością ±1°C (rys. 3).

Temperaturowe sterowanie szybkością wentylatora
Istotą inteligentnego sterowania wentylatora jest skojarzenie jego szybkości z dokładnie monitorowaną temperaturą struktury półprzewodnikowej. Redukcja szybkości wirowania wraz ze spadkiem temperatury minimalizuje hałas. Funkcje te może pełnić układ scalony monitora temperatury ze sterownikiem wentylatora. Najlepszym rozwiązaniem jest użycie pętli automatycznego sterowania szybkością obrotową wentylatora albo sterowania w zamkniętej pętli. Wielką tego zaletą jest działanie całkowicie niezależne od programu po skonfigurowaniu pętli. Nawet w razie awarii (sprzętowej lub programowej) systemu regulacja temperatury będzie nadal działać.
Istnieją dwie różne techniki sterowania szybkością wentylatora – liniowa i z modulacją szerokości impulsów (PWM). Obie mają swoje zalety i wady.
W technice liniowej, czyli napięciowej, w celu zmiany szybkości wentylatora zmienia się jego napięcie zasilające. Napięciowy zakres skutecznego sterowania typowego wentylatora o zasilaniu 12V rozciąga się od 7 do 12V. Najniższe napięcie wentylatora, przy którym jeszcze działa, wynosi 7V, ale do rozruchu będzie on potrzebował nieco wyższego. Napięcie to można wyznaczyć tylko doświadczalnie.
W przypadku typowego wentylatora 5V zakres działania kurczy się do przedziału od 4 do 5V. Niektóre w ogóle nie działają poniżej 4V, a powyżej tego napięcia osiągają niemal maksymalną szybkość. Liniowe sterowanie 5-woltowymi wentylatorami daje się zastosować w bardzo wąskim zakresie, a czasem wcale. Dodatkową wadą sterowania liniowego jest dodatkowa przestrzeń zajmowana przez rezystory i wzmacniacz operacyjny.
W technice PWM wentylator jest sterowany zmianami współczynnika wypełnienia fali prostokątnej. Większość wentylatorów działa poprawnie przy współczynniku wypełnienia od 33 do 100%, zatem zakres regulacji jego szybkości jest szerszy niż w przypadku sterowania liniowego. Obwód sterowania PWM jest prostszy, składa się jedynie z pojedynczego FET-a. Włączanie i wyłączanie wentylatora zmniejsza średnią moc pobieraną z zasilacza zwiększając tym samym sprawność regulatora.

Automatyczna regulacja szybkości wentylatora
Układ automatycznej regulacji szybkości wentylatora włącza go przy uprzednio ustalonej temperaturze i automatycznie reguluje jego szybkość. Działanie pętli automatycznego sterowania szybkością wentylatora jest zilustrowane na rysunku 4. Pętla jest zaprogramowana przez zdefiniowanie temperatur TMIN i TZAKR.
TMIN oznacza temperaturę, przy której wentylator zostaje włączony i zaczyna wirować z minimalną szybkością ze współczynnikiem wypełnienia 33%. Gdy mierzona temperatura wzrośnie powyżej TMIN, wentylator rusza z pełną szybkością, z którą wiruje przez 2s, po czym zwalnia do szybkości minimalnej. Procedura ta zapewnia niezawodność każdorazowego rozruchu. TZAKR oznacza zakres temperatur, w którym szybkość wirowania wentylatora jest regulowana automatycznie. TMAX oznacza temperaturę, przy której wentylator osiąga maksymalną szybkość:
TMAX = TMIN + TZAKR
Wbudowana w pętlę histereza 5°C zapobiega częstemu cyklicznemu włączaniu się i wyłączaniu wentylatora, gdy mierzona temperatura jest bliska minimalnej.
Najważniejszą zaletą pętli sterującej jest to, że w każdej temperaturze wentylator pracuje z optymalną szybkością, oszczędzając moc zasilania i zmniejszając hałas. Automatyczna regulacja szybkości wentylatora poprawia akustyczne własności systemu (rys. 5). W tym przypadku, przy TMIN = 40°C, wentylator osiąga maksymalne obroty przy 80°C. Trzeba dodać, że poziom generowanych przez niego zakłóceń akustycznych jest niemal w całym zakresie znacznie niższy od końcowego, 36dB.

Filtrowana automatyczna regulacja szybkości wentylatora
Pętla automatycznej regulacji szybkości wentylatora jest zrozumiała i łatwa do konfiguracji. Jednak czasami do poprawienia akustycznych właściwości systemu jest potrzebna dodatkowa filtracja. Na przykład w komputerze w czasie działania programu zdarzają się nagłe silne zmiany temperatury. Temperatura mikroprocesora wzrasta gwałtownie w czasie ładowania programu. Później obniża się do stabilnego poziomu. W takim wypadku wentylator nie powinien nagle przyspieszać i zwalniać, wywołuje to bowiem nieprzyjemne dla użytkownika efekty akustyczne. Badania nad ludzkim słuchem ujawniły, że mózg znacznie łatwiej przyzwyczaja się do stabilnego odgłosu lub tonu, niż do zmieniającego częstotliwość czy natężenie. Dlatego właśnie dźwięk autoalarmów jest wibrujący i przerywany, ma bowiem przyciągać uwagę. Niestety zmienny ton wentylatora przyciąga ją również.
Filtrowana automatyczna regulacja szybkości wentylatora wygładza jego reakcję na zmiany temperatury. Silnik przyspiesza łagodnie do nowej szybkości zamiast dokonywać tego skokowo. Odbierane wrażenie słuchowe nie jest wtedy tak przykre. Filtrowanie osiąga się programując szybkość zmian obrotów oraz liczbę odczytów temperatury w ciągu sekundy. Wielkości te decydują o szybkości reakcji wentylatora na zmiany temperatury systemu (rys. 6).

Pomiar szybkości wentylatora
Sterowanie z modulacją szerokości impulsów (PWM) źle działa na sygnał tachometryczny (TACH), co utrudnia pomiar szybkości wentylatora. Układ ADM1030/31, inteligentny sterownik wentylatora i monitor zdalnego pomiaru temperatury (diodą termiczną), pozwala przezwyciężyć tę trudność. ADM1030 jest jednokanałowym układem do sterowania jednym wentylatorem, korzystającym z jednego czujnika temperatury, a ADM31 służy do sterowania dwoma wentylatorami z pomocą dwóch czujników. Mogą one być użyte do dokładnych pomiarów szybkości wentylatorów zarówno 2- jak i 3-przewodowych, sterowanych techniką PWM. Układ zapewnia pomiary temperatury z dokładnością do 1°C oraz automatyczne sterowanie szybkością niemal każdego wentylatora.
Zewnętrzne obwody, służące do sterowania i pomiarów, są bardzo proste (rys. 7). Wentylator jest sprzężony z układem za pośrednictwem pojedynczego n-kanałowego FET-a. Sygnał tachometryczny wentylatora jest dostarczany do analogowego wejścia TACH/AIN. Szybkość obrotowa jest określana za pomocą pomiaru okresu obrotu wentylatora. Bramkowany sygnał wewnętrznego oscylatora jest kierowany do wewnętrznego licznika, który jest inicjalizowany narastającym zboczem impulsu PWM i zlicza w ciągu dwóch okresów TACH.
Niewielka modyfikacja obwodu sterującego pozwala na współpracę układu z wentylatorami dwuprzewodowymi (rys. 8). Jeden bit w rejestrze konfiguracyjnym układu ustala sposób pomiaru szybkości wentylatora 2- lub 3-przewodowego (jego wejście przyjmuje sygnał cyfrowy albo analogowy). Jedynymi dodatkowymi elementami obwodu są rezystor czujnikowy RSENSE i kondensator 0,01µF.
Układ ADM1030/31 może także służyć do inteligentnej detekcji awarii wentylatora. Gdy ulegnie on uszkodzeniu, generuje przerwanie. Wówczas układ automatycznie próbuje jego ponownego rozruchu. Po pięciu kolejnych bezskutecznych próbach wyjście FAN_FAULT sygnalizuje awarię wentylatora systemu. Wtedy drugi wentylator (układu ADM1031) zostaje pobudzony do wirowania z maksymalną szybkością, w celu skompensowania spadku przepływu powietrza. Jeśli stan awaryjny ulegnie poprawie (gdy np. ustąpi blokada dopływu powietrza) lub gdy uszkodzony wentylator zostanie wymieniony, drugi wentylator powróci do swojej normalnej szybkości, a sygnał FAN_FAULT zniknie.
Taki poziom wbudowanej inteligencji stanowi znaczny postęp w stosunku do dotychczasowych metod detekcji defektów wentylatora. Poprzednio procesor centralny musiał odczytać z rejestru zmierzoną szybkość wentylatora i zdecydować zgodnie z programem jak na nią zareagować. Teraz sam wentylator staje się inteligentny, zdolny do działania niezależnie od oprogramowania sterującego.

Kontrola liczby obrotów na minutę
Tolerancja nominalnej szybkości wentylatora wynosi zazwyczaj ±20%. Jeżeli na przykład projekt wymaga użycia wentylatora 5V, dostarczającego przy szybkości 5000obr/min 0,1m3/min powietrza, to nominalna szybkość użytego wentylatora musi wynosić 6250obr/min. Wtedy można mieć pewność, że każdy wentylator spełni wymagania. Większość ich jednak będzie pracować szybciej, niepotrzebnie generując hałas.
W tym przypadku użyteczna staje się automatyczna regulacja obrotów, wykorzystująca sygnał tachometryczny z wentylatora. Dostarcza on zazwyczaj dwa impulsy na jeden obrót, które bramkują wewnętrzny oscylator w sterowniku, umożliwiając dokładny pomiar szybkości, a ten z kolei dokładną jej regulację.
Szybkość obrotowa wentylatora jest zaprogramowana w sterowniku i każde jej zwiększenie lub zmniejszenie wywołuje odpowiednio zmniejszenie lub zwiększenie współczynnika wypełnienia sygnału PWM. Dzięki temu każdy wentylator wiruje z zaprogramowaną szybkością, dostarczając tego samego strumienia powietrza i będąc źródłem podobnego natężenia hałasu.
Wentylatory mają tendencję do zwiększania obrotów w miarę starzenia się. Również ten efekt jest niwelowany w analogiczny sposób. Zwiększa to żywotność silników i ich średni czas międzyawaryjny (MTBF). (KKP)


Rys. 1. Dane techniczne wentylatora zawierają zwykle wykres zakłóceń akustycznych w funkcji szybkości obrotowej w wolnej przestrzeni. W takich warunkach zakłócenia te są najmniejsze.


Rys. 2. Umieszczenie wentylatora w obudowie zwiększa generowane przez niego zakłócenia akustyczne o około 10dB. Dane w warunkach wolnej przestrzeni są przedstawione dla trzech częstotliwości PWM – 10, 30 i 100Hz.


Rys. 3. Układ scalony monitora o dokładności ±1°C ze zdalnym czujnikiem temperatury w postaci diody termicznej, której rolę pełni tranzystor npn.


Rys. 4. Charakterystyka termiczna pętli automatycznej regulacji szybkości obrotowej wentylatora w zakresie od TMIN do TMAX. Wprowadzona histereza przeciwdziała cyklicznemu wyłączaniu się i włączaniu wentylatora przy temperaturze bliskiej TMIN.


Rys. 5. Wraz z obniżaniem się temperatury maleją zakłócenia akustyczne emitowane przez wentylator. W tym przypadku zakłócenia te w niemal całym zakresie temperatur są znacznie mniejsze od maksymalnego poziomu 36dB.


Rys. 6. Filtrowana automatyczna regulacja szybkości obrotowej wentylatora wygładza jego reakcję na nagłe zmiany temperatury. Współczynnik wypełnienia sygnału PWM wentylatora zmienia się stopniowo, jego obroty zmieniają się łagodnie, nie wywołując tak przykrych efektów akustycznych jak zmiany gwałtowne.


Rys. 7. Scalony sterownik 3-przewodowego wentylatora i diodowy monitor temperatury wymagają bardzo prostego obwodu zewnętrznego z pojedynczym n-kanałowym FET-em.


Rys. 8. Potrzeba tylko dwóch dodatkowych elementów, rezystora i kondensatora, do sterowania wentylatorem dwuprzewodowym. Jego sygnał szybkości, pobierany z rezystora czujnikowego RSENSE, jest doprowadzany do wejścia AIN układu sterownika-monitora


(dodatkowa złota myśl)
Za pomocą odpowiedniego sterownika można odczytywać szybkość dowolnego dwu- lub trójprzewodowego wentylatora i kontrolować jego reakcję na zmiany temperatury systemu.

Źródło: DACPOL
O nas  ::  Regulamin  ::  Polityka prywatności (Cookies)  ::  Reklama  ::  Mapa stron  ::  FAQ  ::  Kontakt
Ciekawe linki: www.klimatyzacja.pl  |  www.strony.energoelektronika.pl  |  promienniki podczerwieni
Copyright © Energoelektronika.pl