Малошумящий терморегулируемый вентилятор для усилителя НЧ

Недавно понадобилось сделать принудительное удаление нагретого воздуха из корпуса усилителя. Свободное место на задней стенке позволяло установить компьютерные вентиляторы с внешними размерами 70х70 и 80х80 мм, но смущало то, что надо как-то понижать создаваемый ими шум. Сначала пошёл по простому пути – попробовал запитать двигатель через резистор, но оказалось, что если вентилятор при включении запускается устойчиво, то в процессе работы шумит. А если сделать так, чтобы его не было слышно – то запускается через раз. Из более чем двух десятков проверенных, только один устраивал по всем условиям, но «один» - это «не айс», он может через полгода выйти из строя и тогда всё равно придётся что-то «изобретать». Хотел ещё поэкспериментировать с конденсаторами большой ёмкости, подпаивая их параллельно резистору, чтобы при включении питания через конденсаторы бежал дополнительный ток и помогал запускаться двигателю, но тут пришла мысль о том, что хорошо бы ещё и термозависимую регулировку оборотов вентилятора сделать. Т.е. пока воздух в корпусе холодный – вытяжка работает на минимальных оборотах, а при повышении температуры обороты двигателя увеличиваются и, соответственно, ускоряют воздухообмен. Ну, а раз всё равно появляются дополнительные детали для управления, то почему бы тогда не сделать ещё и форсированный режим для запуска двигателя и дальнейшую автоматическую поддержку его минимальной скорости вращения (для этого можно использовать вентилятор с трёмя выводами).

Отладочный макет, собранный «воздушным монтажом» на столе, заработал сразу и даже настраивать ничего не пришлось. Принцип работы схемы в преобразовании импульсов, приходящих с вентилятора, в напряжение питания вентилятора, но с обратной зависимостью, т.е. чем выше скорость вращения, тем меньше напряжение питания. Получается, что если не учитывать условие зависимости от температуры, то вентилятор всегда будет крутиться с одной, заранее выставленной скоростью, независимо от напряжения питании всей схемы. При применении в схеме термодатчика, принудительно меняется эта самая «заранее выставленная скорость». Здесь зависимость прямая – чем выше температура, тем выше скорость.

Окончательная схема показана на рисунке 1. Чёрный вывод с вентилятора – «минус» питания, красный – «плюс» питания, жёлтый – сигнальный. Чтобы получить с него сигналы относительно «земли», он подтянут к положительному питанию резистором R1. Импульсы с него (верхний график на рисунке 2) проходят через резистор R2 и ограничиваются по амплитуде диодами VD1…VD4 на уровне около 1,7…1,8 В (нижний график на рисунке 2). Ограничение сделано для того, чтобы этот уровень не очень сильно менялся при изменении напряжения питания. Далее, импульсы проходят через дифференциальную цепь С1R3 (рис.3) и выпрямляются диодами VD5VD6 и фильтруются конденсатором C2. Дифференцирование нужно для того, чтобы появилась зависимость уровня продетектированного напряжения от частоты следования импульсов. Нагрузкой для С2 являются резистор R4 и входное сопротивление транзистора VT1. Когда потенциал на С2 достигает уровня открывания транзистора VT1, напряжение на его коллекторе, а, соответственно, и на выходе составного эмиттерного повторителя VT2VT3 уменьшается до такого уровня, что изменение частоты следования импульсов вызывает понижение напряжения на С2 и запирание VT1. Можно сказать, что схема самобалансируется и выходит на некоторый стабильный режим.

Рис.1

Рис.2

Рис.3

В коллекторной нагрузке транзистора VT1 стоит терморезистор с отрицательным температурным коэффициентом сопротивления, это позволяет схеме получить термозависимость скорости вращения вентилятора от окружающей температуры.

На рисунке 4 показано изменение уровня напряжения питания вентилятора при включении схемы и дальнейшем нагреве и охлаждении термодатчика. На графике момент включения происходит примерно на 2-ой секунде. Так как конденсатор С2 ещё не заряжен, то на выходе эмиттерного повторителя VT2VT3 появляется напряжение высокого уровня, равное напряжению питания схемы за вычетом 1-2 вольта (падение на резисторах R5, R6 и база-эмиттерных переходах транзисторов). Двигатель запускается на больших оборотах. Спустя примерно 1 секунду конденсатор С2 заряжается, транзистор VT1 приоткрывается, напряжение на эмиттере VT3 уменьшается и далее поддерживается на одном уровне. На 9-ой секунде начинаю принудительно нагревать термодатчик (обдув горячим воздухом из термофена с расстояния 8-10 см). Его сопротивление понижается, напряжение на коллекторе VT1 начинает расти. На выходе повторителя, соответственно, тоже. Затем повышение напряжения прекращается – это терморезистор перестал менять своё сопротивление. Примерно на 22-ой секунде обдув горячим воздухом прекращается и выходное напряжение начинает плавно понижаться. На 34-ой секунде питание устройства отключено, вентилятор крутится ещё 2-3 секунды (пока разряжаются конденсаторы) и останавливается.

Рис.4

В работе были проверены разные трёхпроводные вентиляторы (рис.5). Все они нормально управлялись, но почти всегда требовалась подстройка сопротивления резистора R4 для установки начальной минимальной частоты вращения двигателя. Поэтому для параллельной работы двух и более вентиляторов их желательно выбирать одной марки. Хотя был проверен и такой вариант – один вентилятор трёхпроводный (с него брались контрольные импульсы) и два двухпроводных - тоже всё нормально регулировалось.

Рис.5

Для индикации аварийного состояния остановки двигателя, параллельно конденсатору С5 можно подключить цепочку из светодиода, резистора и стабилитрона как показано на рисунке 6. Тогда, в случае прекращения поступления импульсов с вентилятора, напряжение на С5 превысит порог открывания стабилитрона и светодиод начнёт светиться (его, конечно, надо будет вывести на переднюю панель усилителя). Сопротивление резистора R рассчитывается исходя из напряжения питания схемы, напряжения стабилизации стабилитрона и марки светодиода. Например, при питании 15 В, применении стабилитрона КС170А и светодиода АЛ307А, сопротивление резистора может быть около 680 Ом. Тогда протекающий по цепи ток будет не более 10 мА, что не превышает максимальный ток через стабилитрон и его достаточно для уверенного свечения светодиода, а напряжение, при котором он только начнёт загораться будет около 8 В.

Рис.6

Теперь по конструктиву и применяемым деталям. Печатную плату для себя рисовать и «утюжить» не стал, а быстренько нарезал «квадратики» на куске фольгированного стеклотекстолита и припаял к ним детали сверху, без сверловки (рис.7). Размеры платы получились 30х75 мм. Если не делать индикацию остановки двигателя, то длину можно уменьшить на 5-10 мм (с правой стороны).

Рис.7

Все используемые детали - обыкновенные выводные. Входные и выходные разъёмы – штыревые, например, PLS2 и PLS3. На плате в местах их установки показаны отверстия, но их можно не сверлить, а просто припаять штырьки к фольге, согнув нижнюю часть выводов под углом 90 градусов.

Резисторы – МЛТ 0,25. Номиналы R1 и R2 можно уменьшить в 2-3 раза, а R3 увеличить, или даже совсем убрать. Сопротивление резистора R4 также можно уменьшать или увеличивать или, даже, совсем убрать. В качестве термодатчика использован термоэлемент с компьютерной материнской платы, стоящий под некоторыми процессорами (рис.8). Можно использовать терморезистор из компьютерных импульсных блоков питания (рис.9). Пределы изменений сопротивлений у них примерно одинаковые.

Рис.8

Рис.9

Если терморегулировка не нужна, разъём под терморезистор можно не ставить, площадки на плате замкнуть каплей припоя, а сопротивление резистора R6 увеличить до 5-10 кОм.

Все диоды – кремниевые КД521, КД522, или подходящие импортные – например, 1N4148.

Конденсаторы С1 и С4 – любые плёночные или керамические. Ёмкость С1 влияет на работу детектора VD5VD6, поэтому при использовании другого номинала может потребоваться изменение сопротивления резистора R3 (и, возможно, R4). Электролитические конденсаторы С2, С3 и С5 – любой марки, но С2 всё же лучше выбрать с минимальным током утечки, например из серий К-52 и К-53. Ёмкости С3 и С5 можно как уменьшить в два раза, так и увеличить в десять раз – они просто фильтрующие по питанию, но с точки зрения уменьшения помех в питающих цепях, их номиналы лучше увеличивать. Если С5 не ставить, то в питании вентилятора появляются большие кратковременные импульсы напряжения и тогда сигналы, приходящие по жёлтому проводу вентилятора, имеют такой же большой импульс по переднему фронту, что в конечном итоге влияет на уровень выпрямленного напряжения на С2. Схема, конечно, и без этих конденсаторов будет работать, но будет «фонить в эфир» всеми входящими и выходящими проводами.

Транзистор VT1 – КТ3102 или другой подходящий, но со статическим коэффициентом передачи тока более 200…300. Если такого нет, то можно поставить и КТ315. Но тогда, скорее всего, понадобится увеличить ёмкость конденсатора С2 до 100…200 мкФ. Транзисторы VT2 и VT3 (КТ315 и КТ817) образуют один составной транзистор – их можно заменить подобными (например, КТ3102 и КТ815) или одним с коэффициентом передачи более 500 и с током коллектора более 500 мА – например, КТ972. В зависимости от напряжения питания и тока потребления применяемого вентилятора, транзистору может потребоваться небольшой радиатор – медная или алюминиевая пластина размерами около 2х3 см.

На всякий случай развел «печатку» и под монтаж с использованием SMD резисторов и конденсаторов (рис.10). Размеры платы получились 40х40 мм и их, конечно, можно ещё уменьшить, применив все детали в SMD исполнении. На рисунке показан вид на плату со стороны печати и деталей, т.е. при использовании «лазерно-утюжного метода», рисунок нужно «зеркалить».

Рис.10

На рисунке 11 показано фото платы первого варианта, уже встроенной в усилитель. При проверках оказалось, что термодатчик не обязательно крепить около радиаторов, а достаточно припаять выводами к штырькам разъёма на плате. При закрытой крышке усилителя вентилятор (виден слева) вытягивает тёплый воздух, взамен которому поступает холодный через отверстия в передней панели (справа, на фото не видна). Работа вентиляторов не слышна даже без их предварительного отбора.

Рис.11

Приведенные в тексте графики состояний снимались с помощью программы SpectraPLUS и звуковой карты с открытыми входами с разными делителями на входе, поэтому деления шкал не соответствуют реальным значениям измеренных потенциалов.

Во вложении – файлы разводки плат, сделанные в программе Sprint-Layout 5.

Андрей Гольцов, r9o-11, г. Искитим, февраль 2015

Список радиоэлементов

^{Скачать список элементов (PDF)}

Теги:

• FAN
• Sprint-Layout