UJARZMIĆ HURAGAN

„UJARZMIĆ HURAGAN”
Gdy tylko słupek rtęci podskoczy zbyt wysoko, wielu z nas sięga po wentylatory.
TakŜe w wypadku pewnych podzespołów elektronicznych, takich jak np. wzmacniacze mocy
czy stabilizatory, chłodzenie wymuszone znacznie poprawia komfort ich pracy, a czasem jest
po prostu konieczne. I co wtedy, gdy potrzebny jest nam wentylator? Nic trudnego.
Otwieramy stronę internetową dostawcy podzespołów elektronicznych, firmy Transfer
Multisort Elektronik www.tme.eu i, mając zarejestrowane konto klienta, moŜemy on-line
nabyć jeden z kilkuset znalezionych tam wentylatorów.
Oto dwie główne grupy tych urządzeń:
1. Zasilane napięciem przemiennym 230V i/lub 115V, przeznaczone do współpracy z
siecią energetyczną. To wentylatory średniej i duŜej mocy, w duŜej części
dedykowane do systemów wentylacyjnych i wyciągów. Przykładowe urządzenia:
SUNON DP200A2123XBT lub SUNON A2259HBT-TC.
2. Zasilane napięciem stałym. Są to wentylatory
przystosowane do chłodzenia nagrzewających się w
czasie pracy podzespołów elektronicznych. Mają
mniejszą moc i pracują przy napięciach
znamionowych 5V, 12V, 24V oraz 48V. Przykładowe
urządzenia: SUNON HA40101V4 lub SUNON
EE80252B1-A99
Nie zawsze jednak nasze aplikacje oddają ilości ciepła porównywalne z pustynnymi
upałami. Warunki, w których pracują urządzenia elektroniczne, w większości przypadków są
bardzo zmienne. MoŜe się zdarzyć, Ŝe zechcemy wtedy regulować prędkość obrotową
posiadanego wentylatora w zaleŜności od ilości emitowanego przez podzespoły ciepła. Stała
kontrola wydajności wentylatora zaowocuje oszczędnością energii i redukcją poziomu hałasu
generowanego przez aktywny system chłodzenia. Niniejszy artykuł traktuje o regulacji
prędkości obrotowej wentylatorów i jest odpowiedzią na często zadawane pytanie: „Jak to
zrobić?” Dodać naleŜy jeszcze „…moŜliwie jak najwydajniej i najbezpieczniej”.
Tutaj przychodzi nam z pomocą
elektronika. Regulacja obrotów wentylatora
polega ogólnie na regulacji mocy
dostarczanej do wentylatora, co pociąga za
sobą zmianę prędkości obrotowej.
Oczywiście kaŜda z wymienionych na
początku grup wymaga innego rodzaju
sterowania dostarczaną mocą.
Dla układów prądu przemiennego
elementem załączającym będzie
odpowiednio sterowany triak, na przykład z
rodziny BT13x. Konkretny element
Rysunek 1
wybieramy w oparciu o potrzebną wydajność prądową (moc sterowanego wentylatora), a
takŜe wymaganą wytrzymałość na przebicie. I tak, triak BT136-600 jest elementem o prądzie
znamionowym 4A i napięciu do 600V. Triaki występują takŜe w róŜnych obudowach,
najczęściej są to odmiany obudowy TO-220, bardzo wygodnej do stosowania z radiatorem.
Do regulacji mocy prądu AC moŜemy zastosować regulację fazową. Ideę takiej regulacji
przedstawia Rys. 1. Polega ona na zmianie momentu załączenia triaka (zmiana opóźnienia
załączenia względem przejścia sinusoidy przez zero), co powoduje podanie do odbiornika
odpowiedniej części sinusoidy. Rysunek pokazuje przebiegi dla 100% mocy, nieco ponad
połowy mocy i około 25% mocy. Takie układy pozwalają na regulację w sposób ciągły w
granicach od 0% do 100% mocy (czyli od zatrzymania do nominalnych obrotów wentylatora).
Wadą takiego rozwiązania jest generowanie zakłóceń w sieci energetycznej z uwagi na
obecność przebiegów odkształconych, ale moŜna temu zapobiec, stosując filtrowanie
zakłóceń.
Rys. 2 pokazuje prostą realizację sterowania fazowego.
Potencjometr PR1 słuŜy do regulacji obrotów (momentu
załączenia triaka), a elementy L1, C1 stanowią filtr
przeciwzakłóceniowy.
Innym sposobem regulacji prędkości wentylatorów AC
jest grupowa regulacja mocy. Polega ona na okresowym
przepuszczaniu do odbiornika grupy kilku okresów przebiegu
sinusoidalnego z całego przebiegu sieciowego. Przykłady
przebiegów wyjściowych dla takiej regulacji przedstawia Rys. 3.
Rysunek 2 [1]
Sygnał sterujący „przepuszczaniem” okresów
sinusa jest sygnałem o zmiennym wypełnieniu
i częstotliwości równej fpodst/n, gdzie n to
rozdzielczość regulacji, a fpodst=50Hz.
Zaletą takiego rozwiązania jest brak
jakichkolwiek zakłóceń ze względu na
załączanie i wyłączanie triaka w „zerze”.
Jednak istotnym ograniczeniem dla sterowania
wentylatorami jest niska częstotliwość
przebiegu sieci, co powoduje, Ŝe nie
Rysunek 3
uzyskamy dobrej regulacji w dolnym zakresie
obrotów, np. dla częstotliwości przebiegu sterującego 1Hz, nie uzyskamy właściwej regulacji
tak do 10%-20% mocy (prędkości obrotowej). Sygnał podawany z tak niską częstotliwością
mógłby w tym zakresie spowodować nierówną pracę wentylatora. Takie rozwiązanie
proponowałbym dla częstotliwości sygnału sterującego 5Hz i skokowej regulacji co 10%.
JeŜeli, ktoś chciałby,
mimo wymienionej
wady, wypróbować
takie sterowanie
obrotami wentylatora to
Rys.4 przedstawia
proponowany schemat
regulatora .
Blok przełączania
(ON/OFF) zawiera
optotriak MOC3041,
Rysunek 4
który zapewnia
załączanie triaka w „zerze” oraz jego izolację galwaniczną od części sterującej. Część
sterującą (CONTROL) stanowi generator zbudowany w oparciu o układ NE555
(przedstawiciel znanej rodziny 555). Częstotliwość przebiegu sterującego wyznaczają
elementy P1, C2, natomiast potencjometr P1 zapewnia regulację współczynnika wypełnienia
od 1% do 99%.
Dla wentylatorów zasilanych napięciem stałym dedykowanym elementem regulacji
obrotów są sterowniki PWM (Pulse Width Modulation – modulacja szerokości impulsu).
Sposób sterowania polega na zasilaniu wentylatora przebiegiem impulsowym o amplitudzie
równej napięciu znamionowemu wentylatora i zmiennym wypełnieniu impulsów.
Przykładowe przebiegi (dla wypełnienie 10%, 50% i 90%) pokazuje Rys5.
Elementem załączającym wentylatora moŜe być
dowolny tranzystor PNP lub FET, dobrany do
parametrów regulowanego wentylatora. Z uwagi
na indukcyjny charakter wentylatora naleŜy
obowiązkowo pamiętać o diodzie zabezpieczającej
element kluczujący przed przepięciami,
powstającymi w chwilach przełączania. Powinna
to być dioda szybka o mocy tym większej, im
większa jest moc wentylatora. W układach PWM
sterujących silnikami stosuje się zazwyczaj
przebiegi sterujące z generatora o częstotliwości od
kilkuset herców do kilku, kilkunastu kiloherców.
Rysunek 5
Rys. 6 przedstawia w pełni funkcjonalny schemat regulatora prędkości obrotowej wentylatora
zrealizowany w oparciu o sterowanie PWM.
Generator PWM został zrealizowany na bramkach NAND, pracuje z częstotliwością ok.
700Hz, a wypełnienie impulsów wyjściowych jest regulowane potencjometrem PR1.
Rysunek 6 [2]
Oczywiście przebieg sterujący moŜemy uzyskać z róŜnych źródeł. Wiele mikrokontrolerów
firmy ATMEL, choćby popularny Atmega8, ma wbudowany licznik, który przy odpowiedniej
konfiguracji spełnia funkcję programowo sterowanego generatora PWM.
Innych propozycji układów sterowania PWM jest bardzo wiele: od przedstawionych
tutaj prostych schematów, poprzez wspomniane juŜ układy oparte na mikrokontrolerach AVR
i drivery PWM, aŜ po specjalne, dedykowane urządzenia. Na łamach branŜowych
magazynów wielokrotnie ukazywały się propozycje ciekawych rozwiązań czytelników lub
firm produkujących popularne zestawy do samodzielnego montaŜu. W sieci moŜna równieŜ
znaleźć wiele szczegółowo opisanych doświadczeń uŜytkowników. Wybierając odpowiedni
dla aplikacji układ sterowania prędkością wentylatora PWM, naleŜy jednak pamiętać o
wymaganiach stawianych przez takie rozwiązanie. Powinniśmy uwzględnić odpowiednią
częstotliwość impulsów podawanych na wentylator i dobór wentylatora przystosowanego do
regulacji metodą modulacji szerokości impulsu.
Istnieje jeszcze jedna metoda regulacji prędkości obrotowej wentylatora prądu stałego,
poprzez regulację napięcia zasilania. Jest to metoda prosta i tania, moŜliwa do realizacji za
pomocą dowolnego, regulowanego stabilizatora napięcia. Przykład z wykorzystaniem
popularnej kostki LM317 pokazuje Rys. 7. Takie sterowanie ma jednak powaŜną wadę.
Wentylatory DC charakteryzowane są
poprzez tzw. napięcie startu, czyli
minimalne napięcie, którego podanie
umoŜliwia pewne uruchomienie
wentylatora. I tak dla wentylatorów 12woltowych firmy SUNON najczęściej jest
to 4,5V, a dla niektórych modeli nawet 8V.
Ponadto producent nie gwarantuje
poprawnej pracy poniŜej wartości napięcia
zasilania równej właśnie napięciu startu.
Powoduje to powaŜne ograniczenie zakresu
regulacji obrotów wentylatora.
Rysunek 7
W układzie z Rys. 7 napięcie podawane na wentylator moŜe być regulowane za pomocą
potencjometru właśnie od ok. 4,5V do ok. 12V.
Podsumowując, dla regulacji prędkości obrotowej wentylatorów AC polecam
zastosowanie sterowania fazowego , a dla wentylatorów DC sterowników PWM. Sposoby te
są uniwersalne i dają pełny zakres regulacji prędkości obrotowej. Wszystkich komponentów
do realizacji odpowiednich sterowników dostarcza wspomniana juŜ firma Transfer Multisort
Elektronik.
Przypisy:
[1] „Elektronika dla wszystkich” 3/97 str. 58
[2] „Elektronika dla wszystkich” 3/05 str. 59