При протекании больших токов в цепях, выделяется энергия в виде тепла. Примером таких цепей могут служить блоки питания, усилители низких/высоких частот, ШИМ-контроллеры, выпрямительные диоды. Для отвода тепла используют металлические радиаторы разных форм и размеров, соответственно площадей. Не редко возникает проблема отвода тепла от самого радиатора, в случаях когда радиатор не совсем хорошо справляется с поставленной задачей. Для устранения этой проблемы, часто используют «кулеры» (вентиляторы), устанавливаемые на радиатор.
Также возникла проблема устранения шума, производимого вентилятором при слабых нагрузках. При слабых нагрузках радиатор холодный и хорошо справляется со своей задачей, при сильных нагрузках - горячий. В обоих случаях вентилятор вращается с одинаковыми оборотами, производя шум, даже когда охлаждение радиатора особо не нужно. Для устранения данной проблемы, была отыскана самая простая аналоговая схема регулировки (изменения напряжения, при изменении темепературы) оборотов вентилятора. Данная схема не критична к заменам транзисторов на другие, тех же проводимостей (NPN,PNP).
Схема
Изначально в схеме, в качестве датчика температуры использовался транзистор КТ315. После нескольких опытов, были следующие замечания по поводу использования этих КТ315:
Плюсы : Наличие. КТ315 навалом, они дешевые и очень распространенные. Размеры - размер КТ315 позволяет поместить его между ребер некоторых радиаторов.
Минусы : Температура. Так как у КТ315 корпус не из металла, теплопроводность малая, следственно и регулировка оборотов будет не чувствительная. Отсутствие крепления (отверстия для болта крепления к радиатору).
Из-за низкой чувствительности к изменениям температуры, пришлось заменить КТ315 на КТ940 (коих также навалом) в корпусе ТО126, с отверстием для болта и металлическим основанием. Транзистор прикручивается к радиатору/источнику тепла с использованием теплопроводной пасты.
В качестве второго транзистора, управляющего нагрузкой, подбирается любой подходящий по параметрам нагрузки и проводимостью (PNP). Печатная плата регулятора не создавалась потому, что его можно собрать навесным монтажом.
Настройка
Настройка регулятора производится следующим образом: при помощи подстроечного резистора выставляется нижний предел напряжения на нагрузке, позволяющий вентилятору работать на малых оборотах или вовсе не вращаться. Я остановился на втором варианте, подключив параллельно нагрузке вольтметр, выставил напряжение около 2,5 (В).
Видео работы устройства
Данная схема исправно работает в моем блоке питания. При существенном нагреве радиатора - вентилятор постепенно, в зависимости от температуры датчика (КТ940), изменяет свои обороты. Таким образом, можно избавиться постоянной работы вентилятора, снизить шумы и потребление энергии вентилятором. Холодные радиаторы всем! С Вами был BFG5000 .
Обсудить статью АКТИВНОЕ ОХЛАЖДЕНИЕ РАДИАТОРОВ
Чтобы избавиться от монотонного надоедливого шума вентилятора, когда нет острой необходимости в его постоянной работе, достаточно смастерить небольшую схему на основе ШИМ.
ШИМ – широтно-импульсная модуляция, часто используется в бытовой технике для управления различными двигателями постоянного тока. На его основе можно легко построить управление оборотами любого вентилятора, в том числе и автомобильного.
В качестве генератора импульсов будем использовать низкочастотный генератор, построенный на базе таймера NE555. Принцип действия простой генератор управляет мощным полевым транзистором, который управляет подачей питания на вентилятор, тем самым задает частоту вращения вентилятора необходимой частоты. Частота генератора задается переменным резистором, изменяя значение его сопротивления, может установить необходимую нам частоту работы вентилятора.
В качестве полевого транзистора могут быть использованы IRFZ24, IRFZ40, IRFZ46 в принципе выбор очень велик, особых требований к нему не предъявляется, тем более что он работает на низкой частоте.
Полевой транзистор, желательно установить на теплоотвод, в качестве радиатора может служить и кузов автомобиля, однако в этом случае, необходимо обеспечить отсутствие электрического контакта между корпусом транзистора и кузова автомобиля. Это можно сделать с помощью слюдяной прокладки.
С номиналами переменного резистора можете поэкспериментировать, в данном случае использовался переменник с диапазоном сопротивлений от 4,7 кОм до 20 кОм, мощности резистора должна составлять не менее 1 Вт, если возьмете меньше, может погореть.
Все конструкция умещается в спичечный коробок, можете сделать ее просто навесным монтажом или на макетной плате. Конденсатор полярный, поэтому будьте аккуратней перед установкой не попутайте полярность.
Отличная схема, для тех кто хочет сам задавать температуры охлаждения двигателем. Вы можете выставить порог включение вентиляторов охлаждения в пределах от 15 градусов до 150 градусов. Что это значит? Это значит что в очень жаркое лето в случаи стояния в пробке я могу включить вентилятор принудительно или выставить температуру намного меньше чем задана для включения (таким образом автомобиль не будет вскипать и перегреваться). Ну а в очень холодное время я смогу его подогревать да бы не замерзнуть самому)
Так вот была спаяна вот такая вот не хитроумная схемка
В реале она выглядит вот так)
Она подключается к зажиганию или через предохранитель к плюсу, ну а второй контакт естественно на минус) имеет светодиод(контрольную лампочку включения) два выхода на реле(плюс и минус) ну и один провод подключается на датчик показания температуры или омный датчик)
Напомню свою проблему) В связи с тем что на моей машине стоит теперь чуточку не та проводка, и поменяны мозги, вентилятор охлаждения при запуске двигателя включается на вторую скорость и не выключается до полной остановки двигателя автомобиля(((но благодаря этой не хитроумной схеме я поборол эту проблему)Можно сказать без колхоза, а по тюнингу) (в моём понимании колхоз - это отрезать провода, поставить в салоне кнопку принудительного включения. Это есть не правильно, ибо ехав за рулём автомобиля нужно наслаждаться ездой, а не думать когда тебе включить вентилятор что бы не закипел мотор! Ну и про тюнинг) С этой схемой я могу регулировать температуру включения вентилятора от 15 градусов до 150 градусов. Что это значит? Это значит что в очень жаркое лето в случаи стояния в пробке я могу включить вентилятор принудительно или выставить температуру намного меньше чем задана для включения (таким образом автомобиль не будет вскипать и перегреваться). Ну а в очень холодное время я смогу его подогревать да бы не замерзнуть самому) ну и естественно эта схема монтируется в корпус и занимает своё место возле блоков реле в салоне под торпедой, или под капотом.
А вот так выглядит корпус и закончены вариант
Схемотехника ШИМ- регулятора оборотов двигателя постоянного тока.
Блок управления электровентилятором системы охлаждения "Борей" (БУ ЭВСО) или контроллер печки "Аргест" , как ШИМ-регулятор оборотов, состоит из:
- микропроцессора (генерация ШИМ-сигнала, измерение тока и температуры, индикация режимов);
- силового транзистора (коммутация тока, исполнительный элемент ШИМ-регулятора оборотов электровентилятора);
- фильтра (устранение электромагнитных помех).
Частоту вращения коллекторного двигателя можно регулировать, изменяя подаваемое на него напряжение. При постоянном значении напряжения источника питания – аккумуляторной батареи, напряжение на двигателе можно менять, изменяя сопротивление в цепи двигателя, к примеру, с помощью реостата или транзистора. Однако такой способ при управлении мощными приводами приводит к выделению большой тепловой мощности на сопротивлении (транзисторе) и снижению КПД системы.
Повысить КПД можно, подавая на двигатель полное напряжение, но на ограниченное время. Если это делать с большой частотой, то, управляя длительностью включения, можно фактически менять среднее напряжение, подаваемое на двигатель.
Изменение длительности импульсов при неизменном периоде их следования (постоянной частоте) и называется широтно-импульсной модуляцией (ШИМ , в англоязычных текстах: PWM-Pulse Width Modulation ).
При регулировании скорости вращения двигателя с помощью широтно-импульсной модуляции на двигатель подается полное напряжение питание, но регулируется время, в течение которого оно подается. Условно говоря, ШИМ-регулятор оборотов вентилятора замыкает силовой ключ каждую секунду на десятую долю секунды, если нам нужно 10% мощности двигателя, если нам нужно 25% мощности, то ШИМ-регулятор оборотов замыкает силовой ключ на четверть секунды, если 50% мощности - то полсекунды и т. д. Когда же нам нужно раскрутить двигатель на полную мощность, ШИМ-регулятор оборотов замыкает силовой ключ на полную секунду, то есть фактически силовой ключ не размыкается совсем.
Конечно же, реально микропроцессор управляет силовым ключом с частотой много выше, чем один раз в секунду, но принцип остается тем же. При достаточно высокой частоте происходит сглаживание пульсаций тока при индуктивной нагрузке, и фактически на двигатель подается некоторое эффективное напряжение. Скажем, при напряжении питания 12В и длительности импульса 50% от периода, получается точно такой же результат, как и при подаче на двигатель напряжения 6В.
При эксплуатации автомобиля в городском цикле с повышенной температурой окружающего воздуха, когда вероятность перегрева двигателя максимальна (особенно в "пробках "), режим плавного изменения скорости вращения вентилятора в пределах 30-60% с помощью ШИМ-регулятора оборотов достаточен для ограничения температуры двигателя автомобиля. Применение блока управления ЭВСО в системе охлаждения автомобиля устраняет необходимость включения вентилятора на мощность выше 60% (тем более на полную мощность), тем самым обеспечивая практически полное отсутствие шума в салоне автомобиля в отличие от раздражающего рева работающего на "всю катушку" электровентилятора в обычной системе охлаждения двигателя автомобиля.
Решил рассказать об одной своей давней микроконтроллерной разработке (2006 год), сделанной для плавного управления электровентилятором охлаждения двигателей переднеприводных моделей ВАЗа.
Надо сказать, что на тот момент уже существовало немало разнообразных решений - от чисто аналоговых до микроконтроллерных, с той или иной степенью совершенства выполняющих нужную функцию. Одним из них был контроллер вентилятора компании Силычъ (то, что сейчас выглядит вот так , известной среди интересующихся своим автоматическим регулятором опережения зажигания, программно детектирующим детонационные стуки двигателя. Я некоторое время следил за форумом изготовителя этих устройств, пытаясь определить, чтов устройстве получилось хорошо, а что - не очень, и в результате решил разработать свое.
По задумке, в отличие от существующих на то время решений, новый девайс должен был a) помещаться в корпус обычного автомобильного реле;
б) не требовать изменений в штатной проводке автомобиля; в) не иметь регулировочных элементов; г) надежно и устойчиво работать в реальных условиях эксплуатации.
История появления девайса и алгоритм работы первой версии обсуждалась - для тех, кто не хочет кликать, опишу ключевые вещи инлайн:
1. Алгоритм работы устройства предполагался следующий: измерялось напряжение на штатном датчике температуры двигателя; по достижении нижней пороговой температуры вентилятор начинал крутится на минимальных оборотах, и в случае дальнейшего роста линейно увеличивал скорость вращения вплоть до 100% в тот момент, когда по мнению ЭСУД (контроллера управления двигателем), пора бы включать вентилятор на полную мощность.
То есть, величина температуры, соответствующая 100% включению могла быть получена при первом включении устройства, т.к. оно имеет вход, соответствующий выводу обмотки штатного реле.
Нижний порог в первой версии нужно было каким-то образом установить, проведя таким образом через две точки линейную характеристику регулирования.
0. При токах порядка 20А очевидно, что для плавного регулирования применяется ШИМ, а в качестве ключевого элемента - мощный полевик.
1. Размещение устройства в корпусе обычного реле означает практическое отсутствие радиатора теплоотвода. А это в свою очередь накладывает жесткие требования к рассеиваемой ключевым элементом мощности в статическом (сопротивление канала) и динамическом (скорость переключения) режимах - исходя из теплового сопротивления кристалл-корпус она не должна превышать 1 Вт ни при каких условиях
2. Решением для п.1 может являться либо применение драйвера полевика, либо работа на низкой частоте ШИМ.
В отличие от аналогов, из соображений компактности и помехозащищенности был выбран вариант с низкой частотой ШИМ - всего 200 Гц.
4. Программирование порога включения устройства должно быть либо очень простым, либо быть полностью автоматическим. Изначально в устройстве был установлен геркон, поднесением магнита к которому сквозь корпус программировался нижний порог (значение естественно, запоминалось в EEPROM). Верхний порог устанавливался сам в момент первого импульса от контроллера ЭСУД.
В дальнейшем я придумал и реализовал алгоритм полностью автоматической установки порогов, основанный на нахождении термостабильной точки двигателя (точки срабатывания термостата) в условиях отсутствия насыщения по теплопередаче радиатор-воздух.
5. Устройство должно предоставлять диагностику пользователю. Для этого был добавлен светодиод, который промаргивал в двоичном коде два байта - текущий код АЦП и слово флагов состояния.
Устройство было собрано частично навесным монтажом прямо на выводах бывшего реле, частично на подвернувшейся откуда-то печатной платке.
Силовой MOSFET выводом стока был припаян прямо к ламелю вывода реле, что увеличило запас по рассеиваемой мощности. Устройство без глюков проработало на ВАЗ-2112 c 2006 по 2010 год, когда я его снял перед продажей, и побывало не только в холодном питерском климате, но и на горных крымских дорогах (да еще на машине в наддувном варианте - стоял у меня на впуске приводной компрессор), несмотря на монтаж уровня прототипа и контроллер в панельке.
Вот оригинальная схема (рисовал только на бумаге):
А это вид устройства изнутри:
Устройство было повторено несколькими людьми, один из них (офф-роудер Геннадий Оломуцкий из Киева) применил его на УАЗе, нарисовав схему в sPlan и разведя печатную плату - в его варианте это выглядит так:
А вот кусок из переписки с одним из повторивших этот девайс - в нем впервые детально выписан алгоритм (!) - до этого писал прямо из мозга в ассемблер:
Теперь идея и реализация собственно алгоритма автоустановки (все шаги ниже соответствуют неустановленным порогам):
1. Ждем сигнала включения вентилятора от ЭСУД (либо от датчика температуры в радиаторе в варианте Геннадия)
2. Запоминаем температуру в момент появления сигнала как T1 (реально запоминается код канала АЦП оцифровки сигнала датчика - назовем его C1)
3. Включаем вентилятор на 100%. Ставим флаг «режим автоустановки активен (бит 3)»
4. Через 3 секунды считываем код АЦП (назовем его C1"). Это действие нужно для того, чтобы определить величину компенсации значения температуры из-за влияния тока, протекающего через вентилятор, и вызванного им падения напряжения в измерительной цепи, на оцифрованное значение температуры. Реально за 3 секунды мотор не успевает охладиться, зато вентилятор стартует и выходит на номинальный ток.
5. Вычисляем коррекцию АЦП для 100% мощности вентилятора (назовем ее K100 = C1 - C1"). Запоминаем К100.
6. Ждем снятия сигнала включения вентилятора от ЭСУД (либо отключения датчика в радиаторе).
7. Плавно снижаем мощность с 75% до 12% примерно на 1.5% в секунду.
8. Выключаем вентилятор, ждем 60 секунд.
9. Запоминаем температуру как T2 (код АЦП С2).
10. Корректируем нижний порог (увеличиваем на 1/8 разницы между верхним и нижним), для того, чтобы он был выше термостабильной точки термостата. T2 = T2 + (T1 - T2) / 8. В кодах АЦП это C2 = C2 - (C2 - C1) / 8, т.к. напряжение на датчике с ростом температуры падает.
11. Сохраняем C1, C2, K100 во внутреннем EEPROM реле.
12. Устанавливаем флаг «пороги установлены» (бит 5), снимаем флаг «режим автоустановки активен», выходим из режима автоустановки в рабочий режим
Идея алгоритма в том, что он продувает радиатор до термостабильной точки термостата, но дует не сильно, чтобы не остужать двигатель прямым охлаждением блока и головки. Затем вентилятор выключается и реле дает мотору чуть нагреться - таким образом мы автоматически получаем точку для начала работы вентилятора.
Во время автоустановки реле воспринимает сигнал с геркона в течение шагов 7 и 8 - поднесение магнита к реле в эти моменты вызывает последовательность шагов 9, 11, 12. Коррекция порога на шаге 10 при этом не производится).
Если во время автоустановки нарушились некоторые ожидаемые реле условия, устанавливается флаг «ошибка автоконфигурации (бит 4)» и реле выходит из режима автоустановки. Чтобы реле опять смогло войти в этот режим по условию шага 1, надо выключить и включить питание реле.
Ошибки ловятся такие:
Шаг 2 - значение АЦП вне диапазона (слишком низкое или высокое). Диапазон автоконфигурации по коду АЦП 248..24 (11111000...00011000). В этом случае реле просто не входит в режим автоконфигурации без установки флага ошибки.
Шаг 4 - в течение времени ожидания 3 секунд обнаружено снятие внешнего сигнала включения вентилятора.
Шаг 7 - во время снижения оборотов обнаружен активный внешний сигнал включения вентилятора Шаг 8 - во время ожидания обнаружен активный внешний сигнал включения вентилятора Шаг 11 - установленные пороги вне диапазона 248..24, либо разница C2 - C1 < 4 (то есть они слишком близко друг к другу, либо по какой-то причине C2 > C1 - например, когда вентилятор на самом деле не срабатывает, и температура продолжает расти)
Теперь рабочий режим:
Расчет требуемой мощности (Preq)
1. Если внешний сигнал активен - Preq = 100% 2. Если неактивен, то смотрится текущий код АЦП © и соответствующая ему температура T:
T < T2 (C > C2): Preq = 0%
T > T1 (C < C1): Preq = 100%
T2 <= T <= T1 (C2 >= C >= C1): Preq = Pstart + (100% - Pstart) * (C2 - C) / (C2 - C1), где Pstart = начальная мощность (12%)
При этом, требуемая мощность не сразу подается на вентилятор, а проходит через алгоритм плавного разгона и органичения частоты пуска/останова вентилятора.
Этот алгоритм работает только в рабочем режиме и при отсутствии внешнего сигнала включения:
Пусть Pcurr - текущая мощность вентилятора
1. Если Pcurr > 0 и Preq = 0, либо Pcurr = 0 и Preq > 0 - то есть требуется запуск остановленного или останов работающего вентилятора, то:
- Смотрится время находжения вентилятора в данном состоянии (запущен или остановлен). Если время меньше порога - состояние вентилятора не меняется.
- При этом, если Pcurr > Pstart и Preq = 0, то на остаток времени запущенного состояния устанавливается Pcurr = Pstart (то есть вентилятор крутится на минимальных оборотах) 2. Если п.1 не выполняется, либо время нахождения в состоянии прошло, то:
- Если Preq < Pcurr, то устанавливается Pcurr = Preq (то изменение скорости вращения в сторону снижения происходит сразу, как рассчитано новое значение)
- Если Preq > Pcurr, то набор скорости вращения ограничивается сверху величиной примерно 1.5% в секунду (кроме случая, когда включение вентилятора запрашивается внешним сигналом) - то есть если Preq - Pcurr > Pdelta, то Pcurr = Pcurr + Pdelta, иначе Pcurr = Preq
При расчете мощности используется усредненное значение кода текущей температуры С (см. Расчет требуемой мощности), получаемое средним арифметическим последних 8 значений Сm1, Cm2, Cm3… Cm8. Усреднение происходит методом «скользящего окна» - то есть помещение нового значения в буфер из 8 значений выталкивает наиболее старое и вызывает пересчет среднеарифметического С. Цикл АЦП (и пересчет среднего) происходит каждые 640 мс.
«Сырое» (считанное из АЦП) значение Cadc, прежде чем попадет в буфер подсчета, участвует в следующем алгоритме:
1. Проверяется, что Cadc > Cdisc, где Cdics - макс. Значение АЦП для неподключенного измерительного вывода.
2. Если Cadc > Cdisc, то выставляется флаг «датчик не подключен (бит 6)», значение не попадает в буфер 8 последних значений, и пересчет среднего не выполняется.
3. Если Cadc >= Cdisc - то есть датчик подключен, то Сadc корректируется на определенную величину в зависимости от текущей мощности вентилятора и величины коррекции для 100% мощности (см. шаг 4 алгоритма автоустановки): Cadc = Cadc + Кcurr, где Кcurr = К100 * (Pcurr / 100%). Если при этом Кcurr > 0, то устанавливается флаг «значение АЦП скорректировано (бит 7)». Алгоритм коррекции работает только в рабочем режиме и не работает в режиме автоконфигурации.
4. Выполняется ограничение отрицательной динамики Cadc, чтобы подавить резкие снижения С из-за импульсной нагрузки в общих с датчиком температуры цепях питания автомобиля: Если C - Cadc > Сdelta, то Cadc = C - Cdelta. Ограничение не работает в течение первых 15 секунд после включения зажигания, для того, чтобы в буфере значений быстро сформировались правильные значения Cm1, Cm2...Cm8.
5. Скорректированное по мощности и динамике значение Cadc заталкивается в буфер значений для усреднения как Cm1..Cm8 в зависимости от текущего значения указателя головы буфера (буфер циклический, указатель головы принимает значения от 1 до 8).
Теперь про диагностику светодиодом:
Первый байт - это «сырой» код АЦП (в ранних версиях здесь индицировалось среднее значение C) Второй байт - слово состояния Между первым и вторым байтом пауза порядка 1.5 секунд.
Между циклами индикации пауза 3-4 секунды.
Байты индицируются побитно, начиная со старшего (бит 7, бит 6,… бит 0).
Длинная вспышка соответствует биту, установленному в «1», короткая - в «0».
Расшифровка слова состояния:
Бит 7 - значение АЦП откорректировано по текущей мощности вентилятора
Бит 6 - датчик температуры не подключен
Бит 5 - пороги установлены
Бит 4 - ошибка установки порогов
Бит 3 - режим автоконфигурации активен
Бит 2 - внутренний сброс процессора из-за зависания - нештатная ситуация
Бит 1 - внешний сигнал включения вентилятора активен
Бит 0 - режим продувки при остановке двигателя активен
Когда я описал алгоритм, то удивился как его удалось впихнуть в 1024 слова программной памяти tiny15. Однако, со скрипом, но поместился! ЕМНИП, оставалось всего пару десятков свободных ячеек. Вот что такое сила Ассемблера:)
