Imediat ce coloana de mercur urcă prea mult, mulţi dintre noi au nevoie de un ventilator. La fel în cazul anumitor subansambluri electronice, cum sunt amplificatoarele de putere sau stabilizatoarele, răcirea forţată creşte considerabil confortul funcţionării acestora şi, uneori, este pur şi simplu necesară.
Ce facem atunci când ne trebuie un ventilator? Nimic mai simplu. Deschidem pagina de internet a furnizorului de subansambluri electronice, firma Transfer Multisort Elektronik – www.tme.ro şi, după ce înregistrăm un cont de client, putem cumpăra on-line unul dintre cele câteva sute de ventilatoare pe care le găsim acolo.
Iată cele două grupe principale ale acestor dispozitive:
1. Alimentate la o tensiune alternativă de 230V şi/sau 115V, destinate funcţionării cu reţeaua energetică. Sunt ventilatoare de putere medie şi mare, în mare parte dedicate sistemelor de ventilaţie şi tiraj. Exemple de dispozitive: SUNON DP200A2123XBT sau SUNON A2259HBT-TC.
2. Alimentate la o tensiune continuă. Sunt ventilatoare destinate răcirii subansamblelor electronice care se încălzesc în timpul funcţionării. Au o putere mai mică şi funcţionează la tensiuni nominale de 5V, 12V, 24V şi 48V.
Exemple de dispozitive: SUNON HA40101V4 sau SUNON EE80252B1-A99.
Însă nu întotdeauna aplicaţiile noastre emană tot atâta căldură cât o zi caniculară de vară.
Condiţiile în care funcţionează echipamentele electronice sunt, în majoritatea cazurilor, foarte variate. Se poate întâmpla să dorim atunci să reglăm viteza de rotaţie a ventilatorului pe care îl deţinem în funcţie de cantitatea de căldură emisă de subansambluri. Controlul permanent al randamentului ventilatorului va determina economisirea energiei şi reducerea nivelului de zgomot generat de sistemul activ de răcire.
Articolul de faţă se referă la reglarea vitezei de rotaţie a ventilatoarelor şi este un răspuns la întrebarea care se pune adesea: “Cum să facem asta?” Mai trebuie să adăugăm “…cât mai eficient şi mai sigur posibil”.
Aici ne vine în ajutor electronica. Reglarea rotaţiilor ventilatorului constă, în general, în reglarea puterii furnizate ventilatorului, ceea ce atrage după sine modificarea vitezei de rotaţie. Sigur că fiecare dintre grupele mai sus menţionate necesită un alt tip de control al puterii furnizate.
Pentru circuitele de curent alternativ, elementul de cuplare va fi un triac controlat în mod corespunzător, de exemplu din gama BT13×.
Elementul concret va fi ales pe baza randamentului de curent necesar (puterea ventilatorului controlat), dar şi a rezistenţei la străpungere necesare. Astfel, triacul BT136-600 este un element cu un curent nominal de 4A şi o tensiune de până la 600V.
Triacele sunt realizate şi ele în diferite carcase, cel mai adesea sunt variante ale carcasei TO-220, foarte uşor de utilizat cu un radiator.
Pentru reglarea puterii curentului AC, putem utiliza reglarea de fază. Ideea unei asemenea reglări este prezentată în figura 1. Aceasta constă în schimbarea momentului de cuplare al triacului (modificarea întârzierii de cuplare faţă de trecerea sinusoidei prin zero), astfel încât receptorului îi este aplicată partea corespunzătoare a sinusoidei.
Desenul indică variaţiile pentru o putere de 100%, puţin peste jumătate din putere şi circa 25% din putere.
Aceste circuite permit reglarea continuă în limite cuprinse între 0% şi 100% din putere (adică de la oprire până la turaţiile nominale ale ventilatorului). Dezavantajul acestei soluţii îl reprezintă generarea de perturbaţii în reţeaua energetică, din cauza prezenţei semnalelor deformate, dar acest lucru poate fi prevenit prin aplicarea unei filtrări a perturbaţiilor.
Figura 2 prezintă realizarea simplă a controlului de fază. Potenţiometrul PR1 este destinat reglării rotaţiilor (momentului de cuplare al triacului), iar elementele L1, C1 reprezintă filtrul antiperturbaţii.
Un alt mod de reglare a vitezei ventilatoarelor AC îl reprezintă reglarea de putere de grup. Aceasta constă în aplicarea periodică pe receptor a unei grupe de câteva perioade de semnal sinusoidal din întregul semnal de reţea. Exemple ale semnalelor de ieşire pentru acest tip de reglare sunt prezentate în figura 3.
Semnalul care controlează “aplicarea” perioadelor sinusului este un semnal cu factor de umplere variabil şi frecvenţa egală cu fbază/n, unde n este rezoluţia de reglare, iar f bază=50Hz.
Avantajul acestei soluţii este dat de absenţa oricărei perturbaţii determinate de cuplarea şi decuplarea triacului în “zero”. Însă limitarea esenţială pentru controlul ventilatoarelor constă în frecvenţa joasă a semnalului de reţea, astfel încât nu obţinem o bună reglare în intervalul inferior al rotaţiilor, de exemplu pentru o frecvenţă a semnalului de control de 1Hz nu obţinem o reglare corespunzătoare până la 10-20% din putere (din viteza de rotaţie). Semnalul aplicat cu o frecvenţă atât de joasă ar putea cauza, în acest interval, o funcţionare neregulată a ventilatorului. Această soluţie aş propune-o pentru o frecvenţă a semnalului de control de 5Hz şi o reglare cu un pas de 10% Dacă cineva ar dori, în pofida inconvenientului menţionat, să încerce un asemenea control al rotaţiilor ventilatorului, atunci figura 4 prezintă schema propusă a regulatorului.
Blocul de comutare (ON/OFF) conţine un optotriac MOC3041, care asigură cuplarea triacului în “zero” şi izolarea sa galvanică de partea de control. Partea de control (CONTROL) este reprezentată de un generator realizat pe baza unui circuit NE555 (reprezentant al cunoscutei familii 555). Frecvenţa semnalului de control este determinată de elementele P1, C2, iar potenţiometrul P1 asigură reglarea factorului de umplere între 1% şi 99%.
Pentru ventilatoarele alimentate la tensiune continuă, elementul dedicat de reglare a rotaţiilor este reprezentat de unităţile de control PWM (Pulse Width Modulation – modulaţie a impulsurilor în durată). Modul de comandă constă în alimentarea ventilatorului cu un semnal impuls cu o amplitudine egală cu tensiunea nominală a ventilatorului şi cu un factor de umplere al impulsurilor variabil. Exemple de semnale
(pentru factori de umplere de 10%, 50% şi 90%) sunt prezentate în figura 5.
Elementul de cuplare al ventilatorului poate fi orice tranzistor PNP sau FET, adaptat la parametrii ventilatorului reglat. Dat fiind caracterul inductiv al ventilatorului, nu trebuie să uitaţi de dioda de protecţie a elementului de codare împotriva supratensiunilor care apar în momentele de comutare. Aceasta trebuie să fie o diodă rapidă cu o putere cu atât mai mare, cu cât este mai mare puterea ventilatorului. În circuitele PWM de control al motoarelor se utilizează, de obicei, semnale de control de la un generator cu o frecvenţă cuprinsă între câteva sute de hertzi şi câţiva sau câteva zeci de kilohertzi.
Figura 6 prezintă o schemă complet funcţională a unui regulator al vitezei de rotaţie a ventilatorului, realizat pe bază de control PWM.
Generatorul PWM a fost realizat pe porţi NAND, funcţionează cu o frecvenţă de circa 700Hz, iar factorul de umplere al impulsurilor de ieşire este reglat cu ajutorul potenţiometrului PR1.
Sigur că semnalul de control poate fi obţinut din diverse surse. Multe microcontrolere produse de firma ATMEL, dacă ar fi să menţionăm doar popularul Atmega8, au un contor integrat care, cu o configuraţie corespunzătoare, îndeplineşte funcţia unui generator PWM cu control programat.
Mai există foarte multe alte propuneri de circuite de comandă PWM: de la simplele scheme prezentate aici, trecând prin circuitele, amintite deja, bazate pe microcontrolere AVR şi driverele PWM, până la dispozitivele speciale, dedicate.
În coloanele publicaţiilor în domeniu de multe ori au fost publicate propuneri de soluţii interesante din partea cititorilor sau a firmelor care produc seturi populare pentru montare pe cont propriu.
De asemenea, pe internet se pot găsi multe experienţe ale cititorilor, descrise în detaliu.
La alegerea circuitului de control PWM al vitezei ventilatorului corespunzător pentru aplicaţie, trebuie să aveţi însă în vedere cerinţele impuse de un asemenea dispozitiv.
Trebuie să luăm în considerare o frecvenţă corespunzătoare a impulsurilor aplicate ventilatorului şi alegerea unui ventilator adaptat reglării prin metoda modulaţiei impulsurilor în durată.
Mai există o metodă de reglare a vitezei de rotaţie a ventilatorului de curent continuu, prin reglarea tensiunii de alimentare. Este o metodă simplă şi ieftină, care poate fi realizată cu ajutorul oricărui stabilizator de tensiune reglabil.
Un exemplu realizat cu ajutorul popularului circuit integrat LM317 este prezentat în figura 7.
Un asemenea tip de comandă prezintă însă un mare inconvenient. Ventilatoarele DC sunt caracterizate de aşa-numita tensiune de start, adică o tensiune minimă, a cărei aplicare permite pornirea sigură a ventilatorului.
Astfel, pentru ventilatoarele de 12V produse de SUNON, cel mai adesea aceasta este de 4,5V, iar pentru unele modele, chiar 8V.
În plus, producătorul nu garantează o funcţionare corectă cu o tensiune de alimentare mai mică decât valoarea tocmai a tensiunii de start. Acest lucru determină o serioasă limitare a domeniului de reglare a rotaţiilor ventilatorului.
În circuitul din figura 7 tensiunea aplicată pe ventilator poate fi reglată cu ajutorul potenţiometrului chiar de la circa 4,5V până la circa 12V.
În concluzie, pentru reglarea vitezei de rotaţie a ventilatoarelor AC, recomand aplicarea controlului de fază, iar pentru ventilatoarele DC, utilizarea unităţilor de control PWM. Aceste modalităţi sunt universale şi oferă un domeniu complet de reglare a vitezei de rotaţie. Toate componentele pentru realizarea unor unităţi de control corespunzătoare sunt furnizate de deja amintita firmă Transfer Multisort Elektronik.
Mai multe informaţii:
Transfer Multisort Elektronik
Tel.: +40 356467401
Fax: +40 356467400
tme@tme.ro
www.tme.ro
Note:
[1] „Elektronika dla Wszystkich” 3/97 pag. 58
[2] „Elektronika dla Wszystkich” 3/05 pag. 59