Управління вентилятором в УМЗЧ

1. Саме класне пристрій для охолодження підсилювачів!

Саме класне пристрій для охолодження підсилювачів!

Наши партнеры ArtmMisto

Має три режими:

1. Вентилятор вимкнений на малій гучності при "холодних" радіаторах.

2. При невисокій температурі (середня гучність) швидкість обертання мала і шуму немає.

3. При високій температурі сам збільшує швидкість обертання для найкращого охолодження.

завантажити плату в форматі Sprint Layout 4.0

Стаття опублікована в журналі "Радіо" №6 за 2009 рік.

В даний час вихідна потужність підсилювачів і ресіверів досягає сотень ват, а число каналів - п'яти-семи. Це призводить до значного виділення тепла вихідними каскадами, тому все більшої популярності набуває активне охолодження підсилюючих пристроїв. Обдув радіаторів вентиляторами давно став нормою в професійній апаратурі, однак для побутової техніки він має і ряд недоліків:

• підвищений рівень шуму в паузах і на малій гучності;
• запилення радіаторів та пристрої в цілому, що призводить до погіршення тепловіддачі;
• запилення самого вентилятора прискорює його знос і знижує термін служби, а відмова вентилятора призводить до виходу підсилювача з ладу внаслідок перегріву.

Тому оптимальним представляється наступне рішення: пасивного охолодження має бути достатньо для роботи підсилювального пристрою на холостому ході і на невеликій гучності, коли нагрів вихідних транзисторів (працюють в класі АВ або В) невисокий. При подальшому підвищенні вихідної потужності, включається вентилятор. Плюси тут очевидні: відсутній зайвий шум, зменшується запилення підсилювача, підвищується ресурс вентилятора, підсилювач не пошкоджується при відмові вентилятора (при роботі на холостому ходу і на невеликій гучності).

Існують різні способи управління вентилятором системи охолодження. У промислових ресіверах вентилятор зазвичай включається при установці регулятора гучності в положення, близьке до максимуму. В аматорській практиці знаходять застосування схеми, з вмонтованим вентилятором при великому рівні сигналу. На думку автора, всі подібні системи мають один принциповий недолік - інформація про нагріванні пристрої носить непрямий характер. При великому рівні вхідного сигналу висока вихідна потужність досягається навіть при положенні регулятора гучності далекому від максимуму. А вентилятор при цьому не включається. Або інший приклад: експлуатація підсилювача в жаркому кліматі, або установка його в таке місце, де утруднена природна циркуляція повітря (в нішу) призведе до того, що він перегріється і при низькому рівні вихідного сигналу.

Найкращий варіант - використовувати датчик температури, і управляти вентилятором безпосередньо від температури радіатора вихідних транзисторів. В цьому випадку охолодження виробляється саме тоді, коли воно необхідне, незалежно від причин, що викликали перегрів. Крім того, інформація про перегрів, що знімається з датчика температури, може бути використана для управління системою захисного відключення ( «рятує життя» підсилювача) і відповідної індикації.

Пропоноване пристрій управління вентилятором охолодження апаратури має просту конструкцію, не містить дефіцитних деталей і не вимогливо до харчування, забезпечуючи при цьому інтелектуальний багатоступінчате охолодження. Принцип його роботи ілюструє малюнок 1.

При невеликій потужності, що розсіюється напруга на вентиляторі дорівнює нулю. З ростом потужності температура радіатора зростає, і коли вона досягає 40 градусів, вентилятор включається. Напруга на ньому становить 6 вольт, швидкість обертання невелика, і вентилятор не виробляє шуму. Однак ефективність охолодження помітно зростає. При потужності близько 9 ... 12 Вт, ефективність активного охолодження настільки висока, що через одну-дві хвилини температура опускається нижче 35 градусів, що викликає вимикання вентилятора. В системі спеціально передбачений гістерезис 5 ... 7 градусів, для того, щоб знизити частоту включень-виключень вентилятора і діапазон потужностей, коли відбувається таке «широтно-імпульсна» управління, особливо при невдалому розташуванні термодатчика. Починаючи з потужності 12 ... 15 Вт, вентилятор працює безперервно (завдяки наявності гістерезису), при цьому температура радіатора виявляється нижче, ніж при потужності 8 ... 9 Вт.

рис.1

Такий «безшумний» режим роботи зберігається до значення потужності 40 Вт, коли температура радіатора підвищується до 50 градусів. При подальшому зростанні розсіюється, напруга на вентиляторі починає плавно підвищуватися, і ефективність охолодження ще більше збільшується. В результаті, в діапазоні потужностей 40 ... 70 Вт температура змінюється від 50 до приблизно 53 градусів. Шум працюючого вентилятора також зростає, проте така ситуація відповідає роботі підсилювача з великою гучністю, і шум вентилятора не помітний на тлі гучного звуку. Причому більшість вентиляторів починає «голосно шуміти» при напрузі живлення, що перевищує 9 вольт, що відповідає потужності, що розсіюється прядка 60 Вт. При температурі більше 55 градусів напруга на вентиляторі максимально і охолодження проводиться найбільш інтенсивно, рівень шуму при цьому є несуттєвим - мова йде про збереження працездатності підсилювача.

Пунктирні лінії на графіку показують, як змінювалася б температура, якби не відбувалося включення наступному ступені охолодження. Якщо прийняти максимально допустимою температурою радіатора значення 60 градусів, то при природному охолодженні гранична розсіює потужність була б дорівнює 20 Вт, а при низкоскоростном активному охолодженні - 65 Вт. При безперервній роботі вентилятора можна було б отримати ті ж самі максимальні 90 ... 95 Вт, але це супроводжувалося б значним шумом на малій гучності, тоді як в пропонованому пристрої шум взагалі відсутній до значення потужності приблизно 40 ... 50 Вт, і незначний до 55 ... 60 пн.

Графік на рис.1, отриманий на макеті пристрою при використанні радіатора площею 200см2 і вентилятора розміром 60х60 мм. Значення температур включення ступенів охолодження обрані досить довільно.

Схема пристрою наведена на малюнку 2. Як термодатчика використовується терморезистор з негативним ТКС (термістор) R1, який спільно з резистором R2 утворює дільник напруги. Напруга з дільника - пропорційне температурі - подається на тригер Шмітта на транзисторах VT1, VT2. При підвищенні вхідної напруги тригер включається, при цьому польовий транзистор VT3 (закритий в початковому стані) відкривається і подає напругу на двигун вентилятора М1. Оскільки послідовно з двигуном включений потужний стабілітрон VD1, напруга на вентиляторі менше напруги харчування на величину напруги стабілізації стабілітрона. Вентилятор працює на малих обертах. При подальшому зростанні температури, напруга дільника також зростає, і при деякому його значенні відкривається транзистор VT4. Цей транзистор шунтирует ланцюжок VT3-VD1, і напруга на вентиляторі підвищується. Оскільки в якості VT4 використовується «вертикальний» транзистор, то діапазон вхідних напруг, при якому VT4 переходить з закритого стану у відкрите, невеликий і збільшення швидкості обертання вентилятора до максимуму відбувається при невеликій зміні температури.

рис.2

Конденсатор С1 форсує запуск двигуна вентилятора при включенні його на зниженій напрузі. Це дозволяє надійно запускати вентилятор навіть при його зносі і запиленні, коли момент тертя на валу підвищений, що підвищує надійність системи охолодження. Конденсатор С2 знижує пульсації напруги на вентиляторі при регулюванні напруги. Якщо пристрій живиться від окремого самостійного джерела, то С2 можна виключити.

Підлаштування резисторами R3 і R9 встановлюють пороги спрацьовування ступенів охолодження. Світлодіод HL1 - індикатор, причому його яскравість сигналізує про напругу на вентиляторі, а, отже, і про температуру. При бажанні отримати більше інформації, вузол індикації можна ускладнити, застосувавши, наприклад, два світлодіоди з різним кольором світіння.

Якщо необхідно контролювати температуру декількох радіаторів, то можна використовувати кілька однотипних термісторів, включених паралельно (пропорційно зменшивши опір R2). При цьому, внаслідок нелінійності температурної характеристики, система буде більшою мірою реагувати на найбільш гарячий об'єкт, що підвищить надійність пристрою в цілому.

Схему можна живити і від джерела з меншою напругою, але при цьому знизиться максимальна ефективність охолодження.

Конструкція і деталі.

Біполярні транзистори - будь-які малопотужні з коефіцієнтом h21Е не менше 150, наприклад, КТ3102 (я використовував імпортні ВС546В). Польові транзистори - будь-хто середній потужності. З вітчизняних підійдуть КП740-КП743. Можна використовувати і малопотужні КП505А-В, проте струм вентилятора в цьому випадку не повинен перевищувати 150 мА. З імпортних підійдуть практично всі транзистори серій IRF5хх, IRF 6хх. Стабілітрон VD1 повинен витримувати струм вентилятора, який при зниженій напрузі живлення складає 40 ... 50% від номінального (а це близько 50 ... 150 мА). Напруга стабілізації вибирається таким чином, щоб напруга на двигуні становило 5 ... 6 вольт (тобто 6 ... 10 вольт). При більш низькій напрузі не всі вентилятори стійко працюють, більш висока напруга збільшить рівень шуму. Якщо не вдасться підібрати підходящий стабілітрон, можна скористатися його аналогом (рис.3).

рис.3

Велика розмаїтість термісторів не дозволяє вказати якийсь конкретний тип. Підійдуть практично всі в інтервалі опорів 1 ... 68 кОм. Якщо опір термістора перевищує 20 кОм, то при підборі R2 слід врахувати його шунтування резисторами R3 і R9.

Оскільки основним для підсилювача все ж є пасивне охолодження, то слід використовувати «конвекційні» (звичайні) радіатори з рідкісними товстими ребрами. Вентилятор - корпусний вентилятор відповідного розміру від комп'ютера. Процесорні вентилятори використовувати не рекомендується, незважаючи на їх більший повітряний потік - вони більш гучні. Термістор необхідно встановити так, щоб забезпечувався хороший тепловий контакт з радіатором (з використанням термопасти), і на нього не потрапляв повітряний потік від вентилятора.

Оскільки температура всередині корпусу підсилювача може досягати 40 ... 50 градусів, можлива установка додаткового вентилятора, видуває повітря з корпусу. Всі вентилятори включаються паралельно.

Пристрій зібрано на друкованій платі розміром 55х30 мм. Домагатися ще більшою мініатюрності, використовуючи SMD компоненти, я вважаю недоцільним - раз використовуються порівняно великогабаритні елементи - радіатори, то вільне місце для пристрою управління вентилятором в підсилювачі знайдеться. Друкована плата показана на рис. 4 (вид з боку установки деталей). Червоним кольором показаний потужний стабілітрон VD1, а світло-зеленим - його аналог на малопотужному стабілітроні і транзисторі. Ставиться або одне, або інше.

рис.4

Синім кольором позначені ізольовані провідники, припаяні з боку доріжок:

рис.5

Налагодження пристрою необхідно, внаслідок великої різноманітності термісторів. Воно зводиться до підбору резистора R2 і установки порогів спрацьовування резисторами R3, R9. Для цього задаються значеннями температур включення ступенів пристрої (на рис.1 це 40 і 50 градусів) і визначають опір термістора на цих двох температурах. Найпростіше визначити опір, помістивши термистор в стакан з водою необхідної температури. Припустимо, вийшли значення R1_1 і R1_2. Резистор R2 повинен мати такий опір, щоб напруга дільника при включенні першого ступеня було близько 2,5 вольт:

Після установки R2 відповідного номіналу, замість термистора підключають змінний резистор з встановленим опором, рівним R1_1 і за допомогою R3 домагаються включення вентилятора (налаштовується саме момент включення, для відключення вентилятора, внаслідок гістерезису, необхідно відключати «термістор»). Аналогічно, за допомогою R9 домагаються збільшення напруги на вентиляторі при підключенні замість термистора опору величиною рівній R1_2.

Увага!

Іноді виникає проблема, на зразок цієї:

"Перший ступінь охолодження виставляється нормально. Друга - не налаштовується. У крайній точці підлаштування резистора R9 напруга на вентиляторі досягає лише 3,3 В (при відключеному першого ступеня подстроечніком R3)."

Швидше за все, причина в сильному відмінності параметрів термисторов різних типів: у деяких при збільшенні температури опір падає дуже сильно, а у деяких - не дуже сильно. При підвищенні температури опір термістора зменшується, а напруга в точці з'єднання R1, R2, R3 зростає. Коли напруга в цій точці досягає порогу спрацьовування одного із ступенів, ступінь спрацьовує і включається. Для спрацьовування тригера Шмітта потрібно приблизно 2,5 вольта, а для відкривання польового транзистора VT4 - близько 4 ... 5 вольт (див. Типову передавальний характеристику транзистора IRF630 на рис. 6). Якщо опір терморезистора падає не сильно, то напруга на затворі польового транзистора не досягає необхідної величини, і він не відкривається.

В цьому випадку настройку треба проводити «навпаки»: підбирати резистор R2 таким, щоб надійно спрацьовувала другий ступінь управління. Для цього R3 виводять на мінімум (движок в нижньому за схемою положенні), а R9 на максимум (движок в верхньому по схемі положенні). Замість термистора підключають резистор з опором, рівним опору термістора при максимальній температурі і підбирають R2 так, щоб напруга на вентиляторі було максимальним - приблизно дорівнює напрузі харчування (можна контролювати напругу в точці з'єднання R1, R2, R3, воно повинно бути близько 4 ... 5 вольт ). Значення R2 округлюють до найближчого більшого. Після цього потенціометром R3 встановлюють необхідний поріг спрацьовування першого ступеня. Врахуйте, що конденсатор С1 створює невелику затримку в часі, тому давайте напрузі встановитися приблизно 1 ... 2 секунди.

Добре б перед складанням схеми подивитися довідкові дані польового транзистора - він повинен відкриватися (струм стоку приблизно 100 мА) при напрузі на затворі не менше 3 і не більше 6 вольт:

Мал. 6

Ось фото прототипу (з транзистором замість потужного стабилитрона). Насправді, плату можна і зменшити. Напевно я коли-небудь це зроблю ...

рис.7

Насправді систему можна спростити, використавши спеціалізований датчик температури і мікроконтролер (або спеціалізовану мікросхему), але я гадаю вона стане не такою доступною для широкого кола радіоаматорів.

01.09.2009