Широтно Импульсная Модуляция (ШИМ, PWM)
Все микропроцессоры работают с цифровыми сигналами, т.е. с логическим нулем (0 В), или логической единицей (5 В или 3.3 В). Поэтому микропроцессор не может сформировать на выходе промежуточное напряжение. Использование для этих целей внешних ЦАП (www.drive2.ru/b/2558751/) — сложно и задействует сразу много ножек микропроцессора, что неудобно. В этих случаях применяют Широтно-импульсную модуляцию (ШИМ, англ. pulse-width modulation (PWM)) — процесс управления мощностью, подводимой к нагрузке, путём изменения скважности импульсов, при постоянной частоте. Широтно-импульсная модуляция представляет собой периодический импульсный сигнал.
Существуют цифровые и аналоговые ШИМ. Принцип их работы остается одинаковым вне зависимости от исполнения и заключается в сравнении двух видов сигналов:
Uоп – опорное (пилообразное, треугольное) напряжение;
Uупр – входное постоянное напряжение.
Cигналы поступают на компаратор, где они сравниваются, а при их пересечении возникает / исчезает (или становится отрицательным) сигнал на выходе ШИМ.
Выходное напряжение Uвых ШИМ имеет вид импульсов, изменяя их длительность, мы регулируем среднее значение напряжения (Ud) на выходе ШИМ:
Однополярная модуляция означает, что происходит формирование импульсов только положительной величины и имеет место нулевое значение напряжения
Если сформированный таким образом сигнал подать на объект, обладающий фильтрующими свойствами, например, на двигатель постоянного тока или лампу накаливания, то объект будет использовать среднюю мощность сигнала.
Т.е. мощность, потребляемая объектом управления, пропорциональна скважности сигнала ШИМ, при условии, что период импульсов ШИМ на порядок меньше минимальной постоянной времени объекта.
ШИМ может быть встроенным выходом микропроцессора, может быть организована отдельно на выходе микропроцессора с обычным цифровым выходом.
Преимущество использования ШИМ — это легкость изменения величины напряжения при минимальных потерях.
Параметры ШИМ
Период тактирования T определяет через какие промежутки времени подаются импульсы.
Длительность импульса — величина показівающая время в течении которого подается сигнал t, с;
Скважность — Соотношение длины импульса (τ) к периоду тактирования (T); пропорционально модулирующей величине. Коэффициент заполнения обычно отображают в процентах (%).
Коэффициент заполнения D – величина обратная скважности.
Несмотря на то, что скважность и коэффициент заполнения могут использоваться в одинаковом контексте, физический смысл их отличается.
Эти величины безразмерны.
PS ШИМ может быть реализован не только при помощи микроконтроллеров, но и на аналоговой базе. Например, простейший ШИМ на основе мультивибратора из двух транзисторов:
Pwm как подключить
Непонимание работы ШИМ или PWM ( Pulse-width modulation ) часто приводит не только к их неправильному использованию, но даже к ошибкам в проектировании устройств использующих ШИМ для управления. Здесь, ограничившись конкретным применением, я попытаюсь рассказать что такое ШИМ, для чего она требуется и как работает.
Сначала, что такое ШИМ.
| Широтно-импульсная модуляция (ШИМ, англ. Pulse-width modulation (PWM)) — управление средним значением напряжения на нагрузке путём изменения скважности импульсов, управляющих ключом. |
Когда нужна ШИМ
Главной причиной применения ШИМ является необходимость обеспечить пониженным постоянным напряжением силовых устройств электроники при сохранении высокого КПД, особенно в управляемых электроприводах.
Во внутренних сетях аппаратуры для питания устройств используется постоянное напряжение ограниченного набора напряжений, которые часто требуется изменить под требования конкретного устройства, стабилизировать или регулировать его. Это могут быть электроприводы постоянного тока, чипы, узлы радиоаппаратуры.
Регулировку можно осуществлять с помощью гасящих напряжение устройств: резисторов, транзисторов (если требуется регулировка). Главный недостаток такого решения потери мощности и повышенное тепловыделение на регулирующих устройствах.
Поскольку известно что выделяемая мощность равна :
P = I x U или P = I 2 x R Вт.
то чем больше ток I в цепи и падение напряжения U , тем больше потери мощности. Здесь R — величина сопротивления регулирующего элемента.
Представьте что требуется погасить хотя бы 3 V при токе нагрузки 10 A , это уже 30 Вт истраченных в пустую. А каждый ватт теряемой мощности не только снижает продолжительность работы источников питания, но и требует дополнительного оборудования для вывода выделяемого, этой мощностью, тепла.
Это относится к гасящим резисторам и полупроводниковым приборам тоже.
Но хорошо известно, что полупроводниковые приборы очень хорошо (с малыми потерями и тепловыделением) работают как ключи, когда имеют только два состояния открыт/закрыт.
Этот режим позволяет снизить потери на коммутирующем полупроводниковом приборе до уровня:
U нас для современных полупроводниковых коммутаторов приближается к 0,3 v и при потребляемых токах 10 А потери мощности будут приближаться к 3 Вт. Это в режиме ключа, а при работе в устройствах ШИМ и меньше.
| В ШИМ в качестве ключевых элементов использует полупроводниковые приборы в ключевом режиме, то есть транзистор всё время или разомкнут (выключен), или замкнут (находится в состоянии насыщения). В первом случае транзистор имеет почти бесконечное сопротивление, поэтому ток в цепи весьма мал, и, хотя всё напряжение питания падает на транзисторе, выделяемая на транзисторе мощность практически равна нулю. Во втором случае сопротивление транзистора крайне мало, и, следовательно, падение напряжения на нём близко к нулю — выделяемая мощность также мала. В переходных состояниях (переход ключа из проводящего состояния в непроводящее и обратно) мощность выделяемая в ключе значительна, но так как длительность переходных состояний крайне мала, по отношению к периоду модуляции, то средняя мощность потерь на переключение оказывается незначительной. |
Реализовать преимущества ключевого режима в схемах понижающих и регулирующих напряжение постоянного тока, позволило использование ШИМ.
Повторюсь, широтно-импульсная модуляция — управление средним значением напряжения на интегрирующей нагрузке путём изменения скважности импульсов, с помощью управляющего ключа.
Работа ШИМ на интегрирующую нагрузку показана на рис. 1.
Главным условиям такого применения ШИМ является наличие интегрирующей нагрузки.
Потому что амплитудное значение напряжения равно E .
Это могут быть интегрирующая RC, LC, RLC или RL цепи и механические интеграторы (например электромотор).
При работе ШИМ на интегрирующей нагрузке напряжение — эквивалентное постоянное напряжение изменяется в зависимости от скважности ( Q ) импульсов.
здесь: Q — скважность, t и — длительность импульса, T — период следования импульсов.
С учетом скважности эквивалентное постоянное напряжение будет равно:
E экв = Q x E Вольт
здесь: E экв — эквивалентное постоянное напряжение ( Вольт ), Q — скважность, E — напряжение источника от которого запитан ШИМ преобразователь ( Вольт ).
Реально на зажимы нагрузки ШИМ подается напряжение равное E , а работа совершаемая электрическим током (или число оборотов электродвигателя) определяется именно E экв . При восстановлении на интегрирующем конденсаторе получаем именно напряжение E экв.
Мощность выделяемая на управляющем ключе, управляемом ШИМ равна:
Схема подключения нагрузки к ШИМ.
Никаких отличных от схемы включения электродвигателя на постоянном токе (частный случай нагрузки) схемных решений ШИМ не требует. Просто электродвичатель подключается к источнику питания работающего в режиме ШИМ. Разве что, в определенных ситуациях требуется ввести дополнительную фильтрацию помех возникающих на фронтах импульсов. Этот фильтр на рис. 2 в виде конденсаторов и демпфирующего диода.
На рис. 2 показано такое подключение.
Мы видим, что коммутатор (полевой транзистор) можно просто заменить на переменный резистор.
Схема PWM
В статье "Переходник для вентилятора 3 pin на 4 pin" http://de1fer.ru/?p=45#more-45 владелец блога приводит схему вентилятора с P WM .
здесь: GND — земля (общий), Control — контакт P WM управления, +12 — напряжение питания, Sense — вывод датчика оборотов.
В данной схеме управление возможно скорее постоянным током +I упр, чем ШИМ сигналом.
Для управления импульсным (ШИМ) сигналом требуется схема изображенная на рис. 4. Да и судя по параметрам транзистора "PWM" он выбирался именно для управления постоянным током. По крайней мере он будет нормально работать в таком режиме с вентилятором до 1,6 Вт.
А вот в импульсном режиме без конденсатора C , транзистор BC879 будет греться немного меньше чем на постоянном токе и возможен останов электродвигателя на малых длительностях токового импульса (малых оборотах) из-за его интегрирования на входной емкости C вх транзистора.
Основные параметры кремниевого биполярного высокочастотного n-p-n транзистора BC879 от SIEMENS
| Pc max | Ucb max | Uce max | Ueb max | Ic max | Tj max, °C | Ft max |
| 800mW | 100V | 80V | 5V | 1A | 150°C | 200MHz |
В случае необходимости отключить PWM (ШИМ) управление в схеме показанной на рис. 3 необходимо просто соединить вывод Control с проводом +12v .
Есть другой вариант схемы вентилятора с P WM на форуме Radeon.ru
Существенных отличий от рис. 3 нет, только в качестве управляемого ШИМ ключа используется МОП полевой транзистор со встроенным или индуцированным каналом p- типа. Данная схема тоже может управляться как P WM так и постоянным напряжением (но рисковать не стоит — надо знать параметры транзистора).
Данная схема вполне работоспособна и не имеет недостатков схемы показанной на рис. 3.
Для отключения (в зависимости от типа транзистора) достаточно соединить вывод Control с проводом + или -.
Вниманию самодельщиков!
Я бы не рекомендовал применение вентиляторов имеющих встроенный PWM (4- pin ) одновременно с какими либо иным регуляторам оборотов вентилятора.
В случае если Вас не устраивает алгоритм управления PWM встроенного на материнскую (системную) плату.
И у Вас есть устраивающий Вас реобас (контроллер управления вентилятором), то используйте вентилятор с 3-pin соединитель.
Если вентилятор с PWM вам дорог или не имеет замены — то необходимо отключить PWM , способом описанным выше, заменив соединитель 4-pin на 3-pin и подключить к реобасу.
Но помните применение вентилятора с PWM в любом нештатном режиме не позволит достичь его максимальной производительности.
Применение одновременно с PWM — токового управления на постоянном токе не рекомендуется по причине снижение напряжения питания вентилятора на 10-20%, что не даст вывести такой вентилятор на полную производительность.
Применение одновременно с PWM — ШИМ по цепи питания может привести к периодической нестабильности работы вентилятора (возможно возникновение скользящих биений между частотами PWM — ШИМ по цепи питания систем) и создать неоднозначность для систем оснащенных системой стабилизации оборотов. Кроме того как и в предыдущем случае на 10-15% снизится результирующее напряжение на вентиляторе, что не даст вывести такой вентилятор на полную производительность.
Так что остановитесь на чем-то одном. Или используйте вентилятор с PWM , или применяйте внешнее управление вентилятором по цепи питания на вентиляторе с 3-pin разъемом.
Заключение
Применение PWM или ,как привыкли говорить мы, ШИМ повышает КПД понижающих напряжение устройств постоянного тока, что снижает общее тепловыделение электронных устройств с ШИМ.
ШИМ позволяет создавать компактные системы регулируемого электропривода постоянного тока большой мощности.
В современных устройствах постоянного тока управляющих напряжением и понижающих стабилизаторах напряжениях обычно регулировки выполняются с помощью ШИМ. Для этого выпускаются контроллеры требующие минимум навесных элементов.
ШИМ, PWM, DC и автоматические режимы системных и корпусных вентиляторов
Если вы когда-нибудь рылись в BIOS, возможно, вы натыкались на термины PWM, DC и Auto в разделе управления вентилятором.
В этой статье я расскажу о вентиляторах с ШИМ и постоянным током, а также о том, какие режимы использовать для эффективного охлаждения и низкого уровня шума.
PWM, DC и автоматические режимы вентилятора
Прежде чем приступить к объяснению, я сокращу его для тех, кто хочет быстрого ответа
- Если у вас 3-контактный разъём для вентилятора, выберите режим постоянного тока. С другой стороны, если у вас 4-контактный разъём для вентилятора, выберите режим PWM.
- Если разъём вентилятора вашей материнской платы имеет только 3 контакта, выберите DC независимо от того, какой у вас вентилятор.
Если вы хотите узнать больше об этих загадочных терминах, читайте дальше!
Что такое ШИМ и как он работает
Вентиляторы с ШИМ (широтно-импульсной модуляцией) или PWM позволяют материнским платам управлять скоростью вращения вентиляторов с помощью быстрых импульсов питания (циклов включения-выключения). Говоря просто, ШИМ-вентилятор выключается и включается очень быстро, чтобы работать на более низких скоростях.
Для этого типа вентилятора требуется 4-контактный разъём вентилятора, как показано ниже:
Как вы можете видеть на схеме выводов PWM-вентилятора выше, 4-й контакт (синий) позволяет материнской плате посылать PWM-сигнал вентилятору, который управляет его скоростью.
Постоянные импульсы мощности используются для изменения скорости вращения вентилятора в режиме ШИМ, это означает, что двигатель вентилятора быстро переключается из состояния ВКЛ в состояние ВЫКЛ и снова в состояние ВКЛ.
Однако, напряжение (12В), подаваемое на ШИМ-вентилятор, не изменится независимо от скорости вращения вентилятора в этом режиме.
График подачи мощности для PWM-вентилятора выглядит примерно так (называемый прямоугольной или импульсной волной):
Видите эти всплески мощности («верблюжьи горбы») в каждом рабочем цикле? Это импульсы, которые поддерживают скорость вентилятора на уровне, необходимом системе.
Таким образом, скорость вентилятора в 10% рабочем цикле фактически означает, что вентилятор «включен» только в течение 10% от общего времени его работы.
Благодаря такому поведению вентиляторы с ШИМ обычно могут достигать более низких скоростей, чем их аналоги постоянного тока, при этом снижая энергопотребление в процессе.
Примечание. Некоторые вентиляторы премиум-класса с ШИМ также могут содержать компоненты, которые немного «сглаживают» этот прямоугольный сигнал, придавая ему наклон вверх и/или вниз каждый раз при обнаружении импульса.
Что такое вентиляторы постоянного тока
Вентиляторы постоянного тока немного отличаются. Во-первых, они оснащены 3-контактным разъёмом, подобным этому:
Как видите, 4-я распиновка отсутствует на вентиляторах DC.
В то время как PWM-вентиляторы полагаются на подачу одного и того же напряжения (12В), но быстро включают и выключают питание для достижения более низких скоростей, вентиляторы постоянного тока могут изменять скорость только путём изменения подаваемого на них напряжения.
Это означает, что вентилятор постоянного тока будет работать на полной скорости, когда на него подаётся напряжение 12В, но замедлится, когда это напряжение составит, скажем, 7В.
Тем не менее, эти вентиляторы по-прежнему ограничены минимальным пороговым напряжением, необходимым для поддержания вращения вентилятора, что ограничивает минимальную скорость, которую они могут достичь.
Например, вот график, показывающий, как скорость вращения вентилятора постоянного тока (в %) зависит от приложенного напряжения:
Что насчет режима авто?
Выбор AUTO оставляет за вашей материнской платой возможность определять и подавать правильный тип питания на вентилятор.
Однако, этот автоматический выбор МОЖЕТ быть неправильным, поэтому, если вы заметили какое-либо странное поведение скорости вращения вентилятора, измените его вручную.
Какой режим выбрать – DC или PWM
Приведенный выше раздел, вероятно, дал вам представление о том, что происходит, когда вы выбираете неправильный режим для вентилятора.
Если у вас есть вентилятор постоянного тока, и вы выбрали режим PWM на этом разъёме вентилятор всегда будет получать напряжение 12В. У него просто нет 4-го контакта для распознавания или управления импульсами, и, в итоге, вы получаете вентилятор, который всё время работает на 100%.
Если вы заметили, что вентиляторы вашего ПК вращаются на полной скорости при запуске, а затем останавливаются, вот почему – на некоторых платах (в основном, старых) есть небольшая задержка при пробуждении после холодного запуска, когда на вентилятор подаётся полное напряжение 12В, прежде чем перейти в режим PWM. Это одна из причин того раздражающего «оборота», когда ваш компьютер загружается.
С другой стороны, что произойдёт, если вы выберете режим постоянного тока для 4-контактного PWM-вентилятора? Ничего особо интересного. Он будет работать как обычный вентилятор постоянного тока. Вы будете ограничены определенной минимальной скоростью, но в остальном всё будет работать нормально.
PWM и шум вентилятора постоянного тока
ШИМ-вентиляторы, как правило, тише, чем вентиляторы постоянного тока, потому что иногда вы слышите больше электрического шума в некоторых двигателях, когда они работают ниже определенного напряжения.
Более того, как я уже говорил выше, вентиляторы с ШИМ могут достигать гораздо более низких скоростей, что опять же помогает бороться с шумом.
Вентиляторы постоянного тока дешевле в производстве, и вы увидите, что они широко используются в системах, предназначенных для поддержания скорости вращения вентиляторов на 100%.
Введение
Компактные электрические вентиляторы, благодаря невысокой цене, используются для охлаждения оборудования уже больше полувека. Тем не менее только в последние годы технологии управления вентиляторами стали значительно развиваться. В этой статье описано как и почему это развитие имело место быть и предложены некоторые полезные решения для разработчиков.
Тепловыделение и охлаждение
Один из трендов электроники — это создание компактных устройств, обладающих богатой функциональностью. Поэтому большинство электронных компонентов приобретают все меньшие размеры. Один из очевидных примеров — современные ноутбуки. Толщина и вес ноутбуков значительно уменьшается, но потребляемая мощность остается прежней или увеличивается. Другой пример — проекционные системы и телевизионные ресиверы.
В ноутбуках большая часть тепла выделяется процессором, в проекторе — источником света. Это тепло необходимо бесшумно и эффективно удалять из системы. Самый тихий способ избавления от тепла — это использование пассивных охлаждающих компонентов, таких как радиаторы или тепловые трубки. Однако для многих популярных пользовательских устройств такой способ неэффективен и дорог.
Другой способ удаления тепла — это активное охлаждение с использованием вентиляторов, создающих поток воздуха вокруг нагревающихся компонентов. Однако вентилятор являются источником шума и, кроме того, увеличивает суммарное энергопотребление устройства, что может быть критично при питании от аккумулятора. Также добавление вентилятора увеличивает количество механических компонентов в системе, что отрицательно сказывается на надежности изделия.
Контроль скорости вращения вентилятора позволяет уменьшить описанные недостатки. Поскольку запуск вентилятора на меньших оборотах снижает шум и энергопотребление и увеличивает срок его службы.
Существует несколько типов вентиляторов и способов их контроля. Один из вариантов классификации вентиляторов может быть таким:
1. 2-х проводные вентиляторы
2. 3-х проводные вентиляторы
3. 4-х проводные вентиляторы
Методы управления вентиляторами, обсуждаемые в этой статье, такие:
1. управление отсутствует
2. on/ff управление
3. линейное управление
4. низкочастотная широтно-импульсная модуляция (ШИМ, PWM)
5. высокочастотное управление
Типы вентиляторов
2-х проводные вентиляторы имеют только выводы питания — плюс и земля. В 3-х проводных вентиляторах добавляется тахометрический выход. На этом выходе присутствует сигнал, частота которого пропорциональна скорости вращения вентилятора. 4-х проводные вентиляторы, помимо выводов питания и тахометрического выхода, имеют вход управления. На этот вход подается ШИМ сигнал и ширина импульса этого сигнала определяет скорость вращения вентилятора.
2-х проводными вентиляторами можно управлять регулируя напряжение питания или скважность ШИМ сигнала. Однако без тахометрического сигнала невозможно понять на сколько быстро вентилятор вращается. Такая форма управления скоростью вращения вентилятора называется открытым контуром (open-loop).
3-х проводными вентиляторами можно управлять аналогичным образом, но в этом случае у нас есть обратная связь. Можно анализировать тахосигнал и устанавливать требуемую скорость. Такая форма управления называется закрытым контуром (closed-loop).
Если управлять вентилятором регулируя напряжение питания, тахосигнал будет иметь форму меандра. И в этом случае тахосигнал будет всегда валидным, пока на вентиляторе есть напряжение. Такой сигнал показан на рисунке 1 (ideal tach).
При управлении вентилятором с помощью ШИМ — ситуация сложнее. Тахометрический выход вентилятора обычно представляет собой открытый коллектор. Поэтому тахосигнал будет валидным только при наличии напряжения на вентиляторе (on фаза ШИМ сигнала), а при отсутствии (off фаза) он будет подтягиваться к высокому логическому уровню. Таким образом тахосигнал становится «порубленным» управляющим ШИМ сигналом и по нему уже нельзя достоверно определять скорость вращения. Этот сигнал показан на рисунке 1 (tach).
Рисунок 1. Идеальный тахосигнал и тахосигнал при внешнем ШИМ управлении.
Для решения данной проблемы, необходимо периодически включать вентилятор на такой отрезок времени, который позволит получить несколько достоверных циклов тахосигнала. Такой подход реализован в некоторых контроллерах фирмы Analog Device, например в ADM1031 и ADT7460.
4-х проводные вентиляторы имеют ШИМ вход, который управляет коммутацией обмоток вентилятора к плюсовой шине источника питания. Такая схема управления не портит тахосигнал, в отличии от стандартной, где используется внешний ключ и коммутируется отрицательная шина. Переключение обмоток вентилятора создает коммутационный шум. Чтобы «сдвинуть» этот шум за пределы звукового диапазона частоту ШИМ сигнала обычно выбирают больше 20 кГц.
Еще одно преимущество 4-х проводных вентиляторов — это возможность задания низкой скорости вращения — до 10% от максимальной скорости. На рисунке 2 показана разница между 3-х и 4-х проводными вентиляторами.
Рисунок 2. 3-х и 4-х проводные вентиляторы
Управление вентилятором
Управление отсутствует
Простейший метод управления вентилятором — отсутствие какого-либо управления вообще. Вентилятор просто запускается на максимальной скорости и работает все время. Преимущества такого управления — гарантированное стабильное охлаждение и очень простые внешние цепи. Недостатки — уменьшение срока службы вентилятора, максимальное энергопотребление, даже когда охлаждение не требуется, и непрерывный шум.
On/off управление
Следующий простейший метод управления — термостатический или on/off. В этом случае вентилятор включается только тогда, когда требуется охлаждение. Условие включения вентилятора устанавливает пользователь, обычно это какое-то пороговое значение температуры.
Подходящий датчик для on/off управления — это ADM1032. Он имеет выход THERM, который управляется внутренним компаратором. В нормальном состоянии на этом выходе высокий логический уровень, а при превышении порогового температурного значения он переключается на низкий. На рисунке 3 показан пример цепи с использованием ADM1032.
Рисунок 3. Пример on/off управления
Недостаток on/off контроля — это его ограниченность. При включении вентилятора, он запускается на максимальной скорости вращения и создает шум. При выключении он полностью останавливается и шум тоже прекращается. Это очень заметно на слух, поэтому с точки зрения комфорта такой способ управления далеко не оптимальный.
Линейное управление
При линейном управлении скорость вращения вентилятора изменяется за счет изменения напряжения питания. Для получения низких оборотов напряжение уменьшается, для получения высоких увеличивается. Конечно, есть определенные границы изменения напряжения питания.
Рассмотрим, например, вентилятор на 12 вольт. Для запуска ему требуется не меньше 7 В и при этом напряжении он, вероятно, будет вращаться с половинной скоростью от своего максимального значения. Когда вентилятор запущен, для поддержания вращения требуется уже меньшее напряжение. Чтобы замедлить вентилятор, мы можем понижать напряжение питание, но до определенного предела, допустим, до 4-х вольт, после чего вентилятор остановится. Эти значения будут отличаться в зависимости от производителя, модели вентилятора и конкретного экземпляра.
5-и вольтовые вентиляторы позволяют регулировать скорость вращения в еще меньшем диапазоне, поскольку их стартовое напряжение близко к 5 В. Это принципиальный недостаток данного метода.
Линейное управление вентилятором можно реализовать на микросхеме ADM1028. Она имеет управляющий аналоговый выход, интерфейс для подключения диодного температурного датчика, который обычно используется в процессорах и ПЛИС, и работает от напряжения 3 — 5.5 В. На рисунке 4 показан пример схемы для реализации линейного управления. Микросхема ADM1028 подключается ко входу DAC.
Рисунок 4. Схема для реализации линейного управления 12-и вольтового вентилятора
Линейный метод управления тише, чем предыдущие. Однако, как вы могли заметить, он обеспечивает маленький диапазон регулировки скорости вращения вентилятора. 12-и вольтовые вентиляторы при напряжении питания от 7 до 12 В, позволяют устанавливать скорость вращения от 1/2 от максимума до максимальной. 5-и вольтовые вентиляторы при запуске от 3,5 — 4 В, вращаются практически с максимальной скоростью и диапазон регулирования у них еще меньше. Кроме того, линейный метод регулирования не оптимален с точки зрения энергопотребления, потому что снижение напряжения питания вентилятора выполняется за счет рассеяния мощности на транзисторе (смотри рисунок 4). И последний недостаток — относительная дороговизна схемы управления.
ШИМ управление
Наиболее популярный метод управления скоростью вращения вентилятора — это ШИМ управление. При таком методе управления вентилятор подключается к минусой шине питания через ключ, а на управляющий вход ключа подается ШИМ сигнал. В данном случае к вентилятору всегда приложено либо нулевое, либо рабочее напряжение питания и не возникает таких энергопотерь, как при линейном методе управления. На рисунке 5 показана типовая схема реализующая ШИМ управление.
Рисунок 5. ШИМ управление.
Преимущество данного метода управления — простота реализации, дешевизна, эффективность и широкий диапазон регулирования скорости вращения. Однако недостатки у этого метода тоже есть.
Один из недостатков ШИМ управления — это «порча» тахосигнала. Этот недостаток можно устранить, используя так называемую pulse stretching технику, то есть удлиняя импульс ШИМ сигнала на несколько периодов тахосигнала. Конечно, при этом скорость вращения вентилятора может немного увеличится. На рисунке 6 показан пример.
Рисунок 6. Удлинение импульса для получения информации о скорости вращения.
Другой недостаток ШИМ управления — это коммутационный шум. Во-первых коммутация индуктивной нагрузки вызывает появление помех в цепях питания, во-вторых может возникать акустический шум — пищание, жужжание. Электрические шумы подавляют фильтрами, а для борьбы с акустический шумом частоту ШИМ сигнала поднимают до 20 кГц.
Также стоит снова упомянуть о 4-х проводных вентиляторах, в которых схема управления уже встроена. В таких вентиляторах коммутируется плюсовая шина питания, что помогает избежать проблем с тахосигналом. Одна из микросхем, предназначенных для реализации ШИМ управления 4-х проводными вентиляторами, — это ADT7467. Условная схема приведена на рисунке 7.
Рисунок 7. Схема ШИМ управления 4-х проводным вентилятором
Заключение
Подводя итоги можно сказать, что наиболее предпочтительный метод управления вентилятором — это высокочастотное ШИМ управление, реализованное в 4-х проводных вентиляторах. При таком управлении отсутствует акустический шум, значительные энергопотери и проблемы с тахосигналом. Кроме того, он позволяет менять скорость вращения вентилятора в широком диапазоне. Схема ШИМ управления с коммутацией отрицательной шины обладает практически теми же достоинствами и является более дешевой, но портит тахосигнал.