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 f podst /n, gdzie n to rozdzielczość regulacji, a f podst =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, który zapewnia Rysunek 4 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. Rysunek 5 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. 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 12- woltowych 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