Компоненти

Тихе дзижчання кулерів

Замість передмови Займаючись комп'ютером на базі Р166ММХ, серед іншого я виявив непрацюючий вентилятор блоку живлення. Зі слів господаря з'ясувалося, що вентилятор якось рік тому застукав - чому були підтвердженням фізичні пошкодження лопатей і внутрішньої поверхні корпусу, стукіт припинився майже відразу ж - разом з життям самого вентилятора, сам господар відразу ж про це забув. Запасу потужності звичайного 200-ватного блоку живлення цілком вистачало, щоб забезпечити працездатність системного блоку, не виходячи з робочого температурного режиму. Техніка з того часу не стояла на місці, процесорні частоти виросли на порядок, збільшилася загальна споживана потужність системних блоків, і тільки паспортні потужності блоків живлення суттєво не виросли, а значить температурні режими роботи ключових елементів досить важкі, і несправність вентилятора блоку живлення може призвести до непоправних наслідків. Стимулом до розробки описуваного нижче пристрою стала установка в стандартний блок живлення другого вентилятора, що працює на вдув із системного блоку і робота обох вентиляторів при напрузі живлення 9В. Якщо роботу штатного блоку живлення можна перевірити, підставивши долоню під потік повітря, що видується, то роботу другого перевірити досить складно навіть візуально. На цьому виходило головне " технічне завдання " - забезпечити візуальний контроль режиму роботи вентилятора. Вартісні характеристики з самого початку не висувалися на перший план, але в результаті виявилося, що вартість готового пристрою не перевищує вартості самого вентилятора. Об'єм готового пристрою, що займається, крім сигналізації режиму роботи вентилятора в остаточному вигляді виконує ще ряд функцій - забезпечує двигун вентилятора зниженою напругою живлення з фільтрацією імпульсних перешкод від нього і плавним запуском при включенні, не перевищує обсягу сірникової коробки.

При мінімальному доопрацюванні схеми пристрій може забезпечувати автоматичне регулювання частоти обертання від температури.

Всередині вентилятора

Електричні схеми всіх вентиляторів приблизно однакові, з двома варіантами можна познайомитися на наведених нижче схемах з журналу "Радіо":

У цій статті ("Ремонт вентиляторів електронних пристроїв" Р.Александрова) можна ознайомитися і з принципом їх роботи.

Реальні схеми вентиляторів можуть відрізнятися лише типом елементів і ступенем їх інтеграції. Здебільшого "двопровідні" вентилятори виконані аналогічно першій схемі. "Трьохпровідні" вентилятори мають у своїй схемі додатковий малопотужний транзистор, включений за схемою "з відкритим (непідключеним) колектором" - типові схеми включення таких вентиляторів можна знайти, наприклад, в "Датасі" на мікросхему моніторингу системної плати W83781D.

Ось так виглядає плата одного з таких вентиляторів (вид з обох боків):

У схемі цього вентилятора датчик Холла інтегрований з ключовими транзисторами, сигнал датчика частоти обертання знімається з малопотужного транзистора із серії ZGA.

Типову схему включення і будемо мати на увазі при розробці датчика обертання двигуна вентилятора. Ось його схема:

При працюючому вентиляторі будуть світитися обидва світлодіоди, добіркою опору резистора R4 домагаються їхньої однакової яскравості світіння, при цьому при зупинці двигуна має бути помітна зміна яскравості світіння. У разі зупинки двигуна горітиме лише один із них. При русі з перериваннями буде помітно моргання світлодіодів. При підключенні в розрив між R2 та базою транзистора конденсатора ємністю близько 50мкФ при зміні частоти обертання змінюватиметься і яскравість світіння світлодіодів. При використанні ще кількох радіоелементів можна забезпечити аварійне відключення системного блоку при виході вентилятора з робочого режиму або запасного.

Як схема датчика обертання "двопровідного" вентилятора можна було взяти таку (втім, ця схема годилася і для "трьохпровідного" вентилятора).

При цьому яскравість світіння світлодіода назад залежала від струму споживання вентилятора - максимальне світіння при обриві по ланцюгу живлення вентилятора, відсутність свічення при короткому замиканні. Налаштування подібного пристрою зводилося б до підбору опорів двох резисторів - підбором R1 (~ 5 Ом) встановлюємо падіння напруги на ньому при номінальному струмі споживання вентилятора в районі 0.5-0.75В, підбором R2 досягаємо відчутної зміни яскравості свічення двигуна. Схема має "право на життя", але ми підемо іншим шляхом - перетворимо "двопровідний" вентилятор на "трипровідний", нічого не змінюючи в його схемі. Зробити це досить просто. Для зняття сигналу, частота якого є пропорційною частоті обертання крильчатки вентилятора, підходить колектор будь-якого з ключових транзисторів. При цьому датчиком обертання може бути перша схема з віддаленим резистором R1 без зміни параметрів інших елементів схеми. Залишається тільки зняти крильчатку для доступу до елементів схеми, знайти колектор одного з транзисторів, припаяти та зафіксувати провід та знову зібрати. Заодно, якщо вентилятор вже побував у роботі, провести регламентні роботи з видалення пилу та мастила валу.

Необхідний висновок транзистора знайдемо продзвінком висновків щодо плюсового дроту живлення схеми на наявність низькоомного ланцюга опором ~60 Ом і припаяємо до нього провід.

На цьому доопрацювання двопровідних вентиляторів можна вважати закінченим. Якщо не забути, як її зібрати.

Боротьба із шумом

Рідкісний користувач, встановивши вентилятор в корпус, не починає боротьбу з шумом. Причому, як правило, це полягає у приєднанні живлення двигуна між проводами +12В та +5В. Як правило, будь-які доводи противників такого підключення не беруться до уваги його прихильниками. Я теж вирішив "вкласти свою копійку" у цю суперечку. Для цього я трохи змінив вхідні ланцюги старої звукової карти Genius SM32х і використав її як осцилограф для зняття пульсацій по обох шинах живлення +12В і +5В одночасно за допомогою звукового редактора Sony Sound Forge 7.0.
Перша "осцилограма" відноситься до випадку підключення вентилятора до шин +12В та 0.

Верхня осцилограма відноситься до шини +12В, нижня – до +5В.

А ось що є осцилограмою при підключенні вентилятора до шин +12В і +5В.

Якщо шина +12В спокійно перенесла таке підключення, то зверніть увагу на імпульси по шині +5В, що з'явилися, в позитивних значеннях. Ці імпульси є ні що інше, як комутаційні перешкоди ключових транзисторів схеми керування двигуном та імпульсні перешкоди його котушок. Ці перешкоди досить сильні – при вимірюванні пікового значення за допомогою осцилографа С1-55 для комутаційних перешкод даного вентилятора було отримано значення більше 0.2В – при використанні процесорного кулера для охолодження інтегрованого 4-х канального підсилювача потужності ЗЧ сумарною потужністю 120Вт КР142ЕН8 фон вдалося прибрати тільки при підключенні конденсатора місткістю не менше 1000мкФ. Саме це значення ємності є рекомендованим і для схеми зниження напруги живлення двигуна вентилятора, про яку буде розказано трохи нижче. А тепер з'ясуємо, як зменшується продуктивність кулера при зниженні живлення. Для цього знімемо залежності частоти обертання крильчатки від напруги живлення двигуна для різних вентиляторів (всі вони представлені на першій фотографії), залежність частота/напруга для "двопровідних" вентиляторів, що опинилися під переробкою, була подібною залежності для третього вентилятора з номінальною частотою обертання 2400об. /хв.

Бачимо, що частота обертання лінійно залежить від напруги живлення аж до межі робочої ділянки напруги живлення. Однак залежність проходить об'єму повітря від частоти обертання можна прийняти за квадратичну - тому можна зрозуміти, що чим тихохідніший двигун, тим менше в продуктивності ми втратимо при однаковому зменшенні напруги живлення в порівнянні з більш швидкісними. При зниженні напруги живлення, на мій погляд, досить зупинитися на кордоні в 8-9 вольт - по-перше, саме тут відбувається різке зменшення акустичного шуму від крильчатки, що обертається, і, по-друге, падіння продуктивності не так ще відчутно. Так як крім зниження акустичного шуму ми переслідуємо ще й завдання зниження імпульсних перешкод, і нам належить паралельно живлячим висновкам двигуна вентилятора підключити конденсатор великої ємності, то слід якимось чином обмежити початковий пусковий струм, значення якого буде складатися з струму заряду самого двигуна – виміряні значення пускового струму в різних вентиляторів дали його значення не менше подвоєного номінального струму. Найкращим рішенням цього завдання слід визнати використання потужного польового MOSFET-транзистора – через великий вхідний опір затвора можна обмежитися під час ланцюгів, що задають, конденсаторами невеликої ємності – до 100мкФ.

Остаточною редакцією стала наступна схема, налаштування якої полягає у підборі ємності C1, при якій відбувається плавне наростання споживаного струму при включенні. Залежно від типу польового транзистора, можна отримати на виході напругу в межах 9.5-8.5 В. Я зупинив свій вибір на IRFZ24N (стосовно ціни/технічні характеристики) – з ним напруга на виході при вхідній напрузі 12В виходить 8.8В. Цю схему можна злегка доопрацювати – напруга на затвор можна подавати з середнього виходу потенціометра, підключеного до дротів живлення, при шунтуванні одного з плечей цього потенціометра терморезистором можна отримати на виході напруга прямо або назад пропорційне зміні температури. Крім того, при необхідності підвищити вихідну напругу можна висновки стоку і витоку зашунтувати резистором опором близько 50Ом.
В остаточному вигляді пристрій виглядає так:

Польовий транзистор встановлений на припаяний до контактного майданчика мідний фланець від подібного корпусу, перед припаюванням якого слід зняти фаску за контуром. Температурний режим роботи транзистора під навантаженням "один вентилятор" при такому охолодженні - 40 градусів. Монтаж виконаний на двосторонній платі із використанням радіоелементів для поверхневого монтажу (від старих плат ISA-пристроїв). Кріплення плати - за місцем. Світлодіоди виносяться на лицьову панель.

Автоматичне увімкнення резервного вентилятора

Розглянемо повну схему пристрою, що вийшов.

Бачимо, що якщо виключити резистор R1 із схеми, то можна відкривати ключ VT2 за допомогою схеми, яка працювала б за наступним алгоритмом – є сигнал на відкриття ключа при зупинці двигуна іншого вентилятора, немає сигналу – при нормальній роботі двигуна вентилятора. Реалізуємо цей алгоритм за допомогою найпростішого детектора стану датчика вентилятора.

При наявності обертання конденсатор C2 перезаряджається, що викликає появу змінної складової на резисторі R6, позитивна напівхвиля якої відкриває транзистор VT2 і заряджає конденсатор C3, який не дає закритися транзистору VT2 під час негативної напівхвилі, яка через діод VD3 "садиться" Для більш точної роботи детектора на місці цього діода краще застосовувати діоди з низькою прямою напругою, наприклад, германієві типу Д9. Я застосував діод Д18. За відсутності обертання конденсатор C3 розряджається через резистори R6 та R7, а також через емітерний перехід VT2. При цьому напруга на колекторі VT2 підвищується, що веде до відкриття польового транзистора і подачі на резервний вентилятор напруги живлення.
Підбираючи ємність конденсатора C3, можна забезпечити "тестування" роботи резервного вентилятора при першому включенні протягом часу заряду цього конденсатора.
При заміні основного вентилятора на справний резервний знову зупиняється.

Ось повна схема такого пристрою:

А ось його зовнішній вигляд у зібраному стані:

Дві плати датчика роботи вентилятора встановлені на крос-плату, де знаходиться детектор. Вентилятори під'єднуються до стандартних трьохконтактних вилок підключення вентиляторів. Живлення можна подати, наприклад, через стандартний роз'єм підключення вентиляторів (як на знімку). Замість пар світлодіодів можна застосовувати двоанодні двоколірні світлодіоди.

Література на тему

Журнал "Радіо" №12, 2001р. "Ремонт вентиляторів електронних пристроїв", Р. Олександров, стор.33-35.
Журнал "Радіо" №2, 2002р. "Звуковий сигналізатор несправності вентилятора", Д.Фролов, стор.34