Регулювання обертів кулера від температури.

Пропорційне управління - запорука тиші!
Яке завдання ставиться перед нашою системою управління? Так щоб пропелери даремно не оберталися, щоб залежність швидкості обертання була від температури. Чим гаряче девайс - тим швидше обертається вентилятор. Логічно? Логічно! На тому і вирішимо.

Морочитися з мікроконтролерами звичайно можна, в чому то буде навіть простіше, але зовсім не обов'язково. На мій погляд простіше зробити аналогову систему управління - не треба буде морочитися з програмуванням на асемблері.
Буде і дешевше, і простіше в налагодженні і налаштуванні, а головне будь при бажанні зможе розширити і надбудувати систему на свій смак, додавши каналів і датчиків. Все що від тебе буде потрібно це лише кілька резисторів, одна мікросхема і термодатчик. Ну а також прямі руки і деякий навик пайки.

Хустки вид зверху

Вигляд знизу

склад:

• Чіп резистори розміру 1206. Ну або просто купити в магазині - середня ціна одного резистора 30 копійок. Зрештою ніхто не заважає тобі трохи підправити плату, щоб на місце чіп резисторів впаяти звичайні, з ніжками, а вже їх в будь-якому старому транзисторному телевізорі навалом.
• Багатооборотний змінний резистор приблизно на 15кОм.
• Також буде потрібно чіп конденсатор розміру 1206 на 470нф (0.47мкФ)
• Будь-електролітичний кондер напругою від 16 вольт і вище і ємністю в районі 10-100мкФ.
• Гвинтові клеммники за бажанням - можна просто припаяти дроти до плати, але я поставив клеммник, чисто з естетичних міркувань - девайс повинен виглядати солідно.
• В якості силового елемента, який і буде керувати харчуванням кулера, ми візьмемо потужний MOSFET транзистор. Наприклад IRF630 або IRF530 його іноді можна видерти зі старих блоків живлення від компа. Звичайно для крихітного пропелера його потужність надлишкова, але хіба мало, раптом ти захочеш туди що-небудь Помічна всунути?
• Температуру будемо мацати прецезіонного датчиком LM335Z він коштує не більше десяти рублів і дефіциту з себе не представляє, та й замінити його при нагоді можна якимось терморезистором, благо він теж не є рідкістю.
• Основною деталлю, на якій засновано все, є мікросхема представляє з себе чотири операційних підсилювача в одному корпусі - LM324N дуже популярна штука. Має купу аналогів (LM124N, LM224N, 1401УД2А) головне переконайся, щоб вона була в DIP корпусі (такий довгий, з чотирнадцятьма ніжками, як на малюнках).

Чудовий режим - ШІМ

Освіта ШІМ сигналу

Щоб вентилятор обертався повільніше досить знизити його напруга. У найпростіших реобаса це робиться за допомогою змінного резистора, який ставлять послідовно з двигуном. У підсумку, частина напруги впаде на резисторі, а на двигун потрапить менше як результат - зниження оборотів. Де падляна, не помічаєш? Так засада в тому, що енергія виділилася на резисторі перетвориться нема в що небудь, а в звичайне тепло. Тобі потрібен обігрівач всередині компа? Явно немає! Тому ми підемо більш хитрим способом - застосуємо широтно-імпульсну модуляцію aka ШІМ або PWM. Страшно звучить, але не бійся, тут все просто. Уяви, що двигун це масивна віз. Ти можеш штовхати його ногою безперервно, що рівносильно прямому включенню. А можеш рухати стусанами - це і буде ШІМ. Чим довший за часом поштовх ногою тим сильніше ти розгониш віз.
При ШІМ харчуванні на двигун йде не постійна напруга, а прямокутні імпульси, немов ти включаєш і вимикаєш харчування, тільки швидко, десятки раз в секунду. Але двигун має неабияку інерцію, а ще індуктивність обмоток, тому ці імпульси як би підсумовуються між собою - інтегруються. Тобто чим більше сумарна площа під імпульсами в одиницю часу, тим більше еквівалентне напруження йде на двигун. Подаєш вузенькі, немов голки, імпульси - двигун ледве обертається, а якщо подати широкі, практично без просвітів, то це рівносильно прямому включенню. Вмикати і вимикати двигун буде наш MOSFET транзистор, а формувати імпульси буде схема.
Пила + пряма =?
Настільки хитрий керуючий сигнал виходить елементарно. Для цього нам треба в компаратор загнати сигнал пилкоподібної форми і порівняти його з будь-яким постійною напругою. Дивись на малюнок. Припустимо у нас пила йде на негативний вихід компаратора, а постійна напруга на позитивний. Компаратор складає ці два сигнали, визначає який з них більше, а потім виносить вердикт: якщо напруга на негативному вході більше ніж на позитивному, то на виході буде нуль вольт, а якщо позитивне буде більше негативного, то на виході буде напруга живлення, тобто близько 12 вольт. Пила у нас йде безперервно, вона не змінює свою форму з часом, такий сигнал називається опорним.
А ось постійна напруга може рухатися вгору або вниз, збільшуючись або зменшуючись залежно від температури датчика. Чим вище температура датчика, тим більша напруга з нього виходить, а значить напряжение на постійному вході стає вище і відповідно до цього на виході компаратора імпульси стають ширшими, змушуючи вентилятор крутиться швидше. Це буде до тих пір, поки постійна напруга не перекриє пилу, що викличе включення двигуна на повні оберти. Якщо ж температура низька, то і напруга на виході датчика низьке і постійна піде нижче найнижчого зубчики пилки, що викличе припинення взагалі будь-яких імпульсів і двигун взагалі зупиниться. Завантажив, так? ;) Нічого, мізкам корисно працювати.

температурна математика

регулювання

Як датчик у нас використовується LM335Z. По суті це термостабілітрон. Прикол стабилитрона в тому, що на ньому, як на обмеженому клапані, випадає строго певну напругу. Ну, а у термостабілітрона це напруга залежить від температури. У LM335 го залежність виглядає як 10mV * 1 градус по Kельвіну. Тобто відлік ведеться від абсолютного нуля. Нуль за Цельсієм дорівнює двісті сімдесят три градуси за Кельвіном. А значить, щоб отримати напруга виходить з датчика, скажімо при плюс двадцяти п'яти градусах Цельсія, то нам треба до двадцяти п'яти додати двісті сімдесят три і примножить отриману суму на десять мілівольт.
(25 + 273) * 0.01 = 2,98В
При інших температурах напруга буде змінюватись не сильно, на ті ж 10 мілівольт на градус. У цьому полягає чергова підстава:
Напруга з датчика змінюється несильно, на якісь десяті частки вольта, а порівнювати його треба з пилкою у якій висота зубів досягає аж десяти вольт. Щоб отримати постійну складову безпосередньо з датчика на таку напругу потрібно нагріти його до тисячі градусів - рідкісна лажа. Як тоді бути?
Так як у нас температура все одно навряд чи опуститься нижче двадцяти п'яти градусів, то все що нижче нас не цікавить, а значить можна з вихідного напруги з датчика виділити лише саму верхівку, де відбуваються всі зміни. Як? Так просто відняти з вихідного сигналу дві цілих дев'яносто вісім сотих вольта. А мізерні рештки помножити на коефіцієнт посилення, скажімо, на тридцять.
В акурат отримаємо близько 10 вольт на п'ятдесяти градусах, і аж до нуля на більш низьких температурах. Таким чином, у нас виходить своєрідне температурне "вікно" від двадцяти п'яти до п'ятдесяти градусів в межах якого працює регулятор. Нижче двадцяти п'яти - двигун вимкнений, вище п'ятдесяти - включений безпосередньо. Ну а між цими значеннями швидкість вентилятора пропорційна температурі. Ширина вікна залежить від коефіцієнта посилення. Чим він більший, тим вже вікно, тому що граничні 10 вольт, після яких постійна складова на компараторе буде вище пили і мотор включиться безпосередньо, настануть раніше.
Але ж ми не використовуємо ні мікроконтролера, ні засоби комп'ютера, як же ми будемо робити всі ці обчислення? А тим же операційним підсилювачем. Адже він не даремно названий операційним, його початкове призначення це математичні операції. На них побудовані всі аналогові комп'ютери - приголомшливі машини, між іншим.
Щоб відняти одне напруга з іншого потрібно подати їх на різні входи операційного підсилювача. Напруга з термодатчика подаємо на позитивний вхід, а напруга яке треба відняти, напруга зсуву, подаємо на негативний. Виходить віднімання одного з іншого, а результат ще й множиться на величезне число, практично на нескінченність, вийшов ще один компаратор.
Але нам же не потрібна нескінченність, так як в цьому випадку наше температурне вікно звужується в точку на температурній шкалі і ми маємо або стоїть, або шалено обертається вентилятор, а немає нічого більш подразнюючої ніж вмикаються і вимикаються компресор совкового холодильника. Аналог холодильника в компі нам також не потрібен. Тому будемо знижувати коефіцієнт посилення, додаючи до нашого вичітателя зворотні зв'язки.
Суть зворотного зв'язку в тому, щоб з виходу сигнал загнати назад на вхід. Якщо напруга з виходу віднімається з вхідного, то це негативний зворотний зв'язок, а якщо складається, то позитивна. Позитивний зворотний зв'язок збільшує коефіцієнт посилення, але може привести до генерації сигналу (автоматники називають це втратою стійкості системи). Хороший приклад позитивного зворотного зв'язку з втратою стійкості це коли ти включаєш мікрофон і тицяєш їм в динамік, зазвичай відразу ж лунає противний виття або свист - це і є генерація. Нам же треба зменшити коефіцієнт посилення нашого операціонніка до розумних меж, тому ми застосуємо негативну зв'язок і заведемо сигнал з виходу на негативний вхід.
Співвідношення резисторів зворотного зв'язку і входу дадуть нам коефіцієнт посилення впливає на ширину вікна регулювання. Я прикинув, що тридцяти буде досить, ти ж можеш перерахувати під свої потреби.

пила
Залишилося виготовити пилку, а точніше зібрати генератор пилкоподібної напруги. Складатися він буде з двох операціонніков. Перший за рахунок позитивного зворотного зв'язку виявляється в генераторному режимі, видаючи прямокутні імпульси, а другий служить інтегратором, перетворюючи ці прямокутники в пилкоподібну форму.
Конденсатор в зворотного зв'язку другого операційного підсилювача визначає частоту імпульсів. Чим менше ємність конденсатора, тим вище частота і навпаки. Взагалі в ШІМ генерації чим більше тим краще. Але є один косяк, якщо частота потрапить в чутний діапазон (20 до 20 000 Гц) то двигун буде противно пищати на частоті ШІМ, що явно розходиться з нашою концепцією безшумного комп'ютера.
А з домогтися з даної схеми частоти більше ніж п'ятнадцять кілогерц мені не вдалося - звучало огидно. Довелося піти в іншу сторону і загнати частоту в нижній діапазон, в район двадцяти герц. Движок почав трохи вібрувати, але це не чути і відчувається тільки пальцями.
Схема.

Такс, з блоками розібралися, пора б і на схемку подивитися. Думаю більшість вже здогадалися що тут до чого. А я все одно поясню, для більшої ясності. Пунктиром на схемі позначені функціональні блоки.
Блок # 1
Це генератор пили. Резистори R1 і R2 утворюють дільник напруги, щоб подати в генератор половину живлячої, в принципі вони можуть бути будь-якого номіналу, головне, щоб були однаковими і не сильно великого опору, в межах сотні кіло. Резистор R3 на пару з конденсатором С1 визначають частоту, чим менше їх номінали тим більше частота, але знову повторюся, що мені не вдалося вивести схему за звуковий діапазон, тому краще залиш як є. R4 і R5 це резистори позитивного зворотного зв'язку. Також вони впливають на висоту пилки щодо нуля. В даному випадку параметри оптимальні, але якщо не знайдеш таких же то можна брати приблизно плюс мінус кіло. Головне дотримуватися пропорцію між їх опорами приблизно 1: 2. Якщо сильно знизити R4 то доведеться знизити і R5.
Блок # 2
Це блок порівняння, тут відбувається формування ШІМ імпульсів з пилки і постійної напруги.
Блок # 3
Це як раз схема влаштовує обчислення температури. Напруга з термодатчика VD1 подається на позитивний вхід, а на негативний вхід подається напруга зміщення з дільника на R7. Обертаючи ручку підлаштування резистора R7 можна зрушувати вікно регулювання вище або нижче по температурній шкалі.
Резистор R8 може бути в межах 5-10кОм більше небажано, менше теж - може згоріти термодатчик. Резистори R10 і R11 повинні бути рівні між собою. Резистори R9 і R12 також повинні бути рівні між собою. Номінал резисторів R9 і R10 може бути в принципі будь-яким, але треба враховувати, що від їхнього ставлення залежить коефіцієнт посилення визначає ширину вікна регулювання. Ku = R9 / R10 виходячи з цього співвідношення можна вибирати номінали, головне, щоб він був не менше кілоомах. Оптимальним, на мій погляд, є коефіцієнт рівний 30, що забезпечується резисторами на 1кОм і 30кОм.
монтаж

Друкована плата

Девайс виконаний друкарським монтажем, щоб бути якомога більш компактно і акуратніше. Малюнок друкованої плати у вигляді Layout файлу виложентут ж на сайті, програму Sprint Layout 5.1 для перегляду і моделювання печятних плат можна скачати від сюди

Сама ж друкована плата виконується на раз-два за допомогою лазеро- прасувальні технології.
Коли всі деталі будуть в зборі, а плата витравлена, то можна приступати до складання. Резистори і конденсатори можна припаювати без побоювання, тому що вони майже не бояться перегріву. Особливу обережність слід проявити з MOSFET транзисторів.
Справа в тому, що він боїться статичної електрики. Тому перш ніж його діставати з фольги, в яку Вам його повинні звернути в магазині, рекомендую зняти з себе синтетичний одяг і торкнутися рукою оголеною батареї або крана на кухні. Микрухой можна перегріти, тому коли будеш паяти її, то не тримай паяльник на ніжках довше пари секунд. Ну і ще, наостанок, дам пораду по резисторам, а точніше по їх маркування. Бачиш цифри на його спинці? Так ось цей опір в Омасі, а остання цифра позначає число нулів після. Наприклад 103 це 10 і 000 тобто 10 000 Ом або 10кОм.
Апгрейд справа тонка.
Якщо, наприклад, захочеш додати другий датчик для контролю іншого вентилятора, то зовсім не обов'язково городити другий генератор, досить додати другий компаратор і схему обчислення, а пилку подати з одного і того ж джерела. Для цього, звичайно, доведеться перемальовувати малюнок друкованої плати, але я не думаю, що для тебе це складе великих труднощів.

Автор: DI HALT