A ventilátorok csendesítésének legegyszerűbb - bár messze nem a legjobb - módja a soros potenciométer. Ennek méretezéséhez kíván ez az írás segítséget adni.

Az alábbiakban tárgyalt soros potméteres megoldás az abszolút laikusoknak szól, mert szinte nulla kézügyességel és szerszámok nélkül is megvalósítható. Ha van némi kézügyességünk és egy forrasztópákánk, akkor érdemesebb az itt most nem tárgyalt, kissé bonyolultabb megoldások valamelyikét választani. Lehet, hogy egy későbbi írásban ezekről is fogok írni, de most az egyszerűség mellett maradok.

Ebben a cikkben csak és kizárólag a soros potenciométerrel megvalósított szabályzással foglalkozom. Ezért kérem a hozzászólókat, mellőzzék az egyéb módszerek (pl. áteresztő tranzisztor, stabilizátor, PWM stb.) tárgyalását, ezekre megvannak a megfelelő topicok.

A soros potméter alkalmazása kicsit több odafigyelést kíván, mint a többi, kapcsolástechnikailag összetettebb megoldás. Ez utóbbiaknál csak arra kell ügyelnünk, nehogy túllépjük a szabályozóra megengedett áramerősséget - túláramvédelem esetén még ezzel sem kell foglalkoznunk -, de ezen belül bármilyen ventilátort rájuk kapcsolhatunk. Egy rosszul méretezett potméterrel azonban elégtelen lesz a szabályozás és/vagy leégethetjük magát a potmétert is.

A soros potmétert két paraméter alapján kell méreteznünk, ezek a ventilátor maximális áramerőssége és a ventilátorra rákapcsolni kívánt minimális feszültség. (A 12V-os maximális feszültséget adottnak vehetjük.) A méretezés eredményeként megkapjuk a potméter ellenállását és terhelhetőségét.

A maximális áramerősség rendszerint fel van tüntetve a ventilátoron vagy a csomagolásán, értéke a PC-kben használatos ventilátoroknál többnyire 100 és 400mA között mozog. Minimális feszültségnek bármekkora feszültséget választhatunk (vagy mégsem, erre később még visszatérünk), de az elindulási feszültségnél - amelyen a ventilátor még stabilan elindul - kisebbet nem célszerű. Nem árt tudni, hogy az elindulási feszültség nem azonos azzal a feszültséggel, amelyen a ventilátor még forog, az elinduláshoz ui. kicsit nagyobb feszültség kell, mint a forgás fenntartásához. A PC-s ventilátorok többségéről elmondható, hogy 5...6V feszültségről már el szoktak indulni.

Egy példa

Példaként méretezzünk egy potmétert egy 350mA áramfelvételű ventilátorhoz. Amikor a ventilátor megkapja a teljes tápfeszültséget, akkor a potméter ellenállása jó közelítéssel 0 ohm, ez triviális. Most keressük meg azt az ellenállásértéket, amelyen a ventilátor megkapja az általunk kívánt minimális feszültséget, amely legyen 4V. Először Ohm törvénye alapján kiszámítjuk a ventilátor ellenállását (Rfan):

R = U/I, azaz Rfan=12/0.35=34.29 ohm.

(Megjegyzés: A ventilátor ellenállása nem tekinthető állandónak, ám nem vétünk túl nagy hibát, ha számításainkban fix értékű ohmikus ellenállásnak vesszük.)

Mekkora Rpot ellenállást kell sorba kötnünk a ventilátorral, hogy magára a ventilátorra 4V feszültség jusson? A megoldás egyszerű, ismét Ohm törvényét alkalmazzuk, ahol Ufan a ventilátoron, Upot pedig a potenciométeren eső feszültség.

Upot/Ufan = Rpot/Rfan

ebből:

Upot*Rfan/Ufan = Rpot, azaz 8*34.29/4 = 68.6 ohm.

Tehát egy 68 ohmos potméterrel 4V és 12V között tudjuk szabályozni a ventilátorra jutó feszültséget, ami a legtöbb esetben megfelelő. Most pedig számítsuk ki a potméter szükséges terhelhetőségét. Tudjuk, hogy 8V esik rajta, az ellenállása pedig 68 ohm, innen nem nehéz a számítás (vigyázat, csalok!):

P = U^2/R = 8*8/68 = 0.93 watt.

Tegyük fel, hogy a fenti, nem túl megerőltető számítás után vásárolunk egy 68 ohmos és 1 wattos potmétert, beszereljük a ventilátorral együtt, elégedetten hátradőlünk és élvezzük a csendet...

Csak sajnos nem sokáig, mert a potméterünkből előbb-utóbb kiszivárgó füst és az azt kísérő égésszag ráébreszt bennünket arra, hogy valamit nagyon elszámoltunk.

Hol hibáztunk?

Két hibát is elkövettünk, egy kisebbet és egy nagyobbat. A kisebb hibára nem nehéz rájönni: a potméter teljesítményét maximális ellenállásra számítottuk ki, amikor a legkisebb áram - 120 mA - folyik át rajta. Nyilvánvaló, hogy amint a potmétert a kisebb ellenállásértékek felé tekerjük, egyre erősebb áram folyik át rajta. Igen ám, mondják a szemfüles PH-olvasók, de ekkor egyre kisebb feszültség is esik a potméteren, vagyis a rajta disszipálódó teljesítmény alig változik. Ezt mutatja az alábbi táblázat:

1. táblázat

Ebből láthatjuk, hogy 10%-nál alig tévedtünk többet, 0.93W helyett 1.05W a potméteren disszipálódó maximális teljesítmény, ami nem okozhatta az elfüstölését.

A potméter számára végzetes hiba megértéséhez meg kell ismerkednünk a power derating fogalmával, amelyet magyarra talán úgy fordíthatnánk, hogy a terhelhetőség csökkenése. Ezzel találkozunk pl. akkor, amikor megnézzük a tápegységekből kivehető maximális teljesítményt a környezeti hőmérséklet függvényében: azt tapasztalhatjuk - és a jobb gyártók ezt meg is adják az adatlapokon -, hogy egy bizonyos környezeti hőmérséklet fölött a kivehető teljesítmény nagyjából lineárisan csökken. Ez érthető, hiszen egyre nehezebben lehet hűteni a táp alkatrészeit, ezért egyre kevesebb hőtermelődés engedhető meg a táp belsejében. A hőmérséklettel kapcsolatos terhelhetőség-csökkenés esetünkben nem játszik szerepet, mert a jobbféle teljesítmény-potenciométerek 50 Celsius fokos környezeti hőmérsékleten még hozzák a névleges teljesítményt.

Power derating

Egy potenciométer terhelhetőségét azonban egy másik körülmény is csökkenti és erről még a gyakorlottabbak is gyakran megfeledkeznek. Az adatlapon ill. magán a potméteren a teljes ellenállásra vonatkoztatva adják meg a terhelhetőséget. Mivel azonban egy potméter lényege éppen a változtatható ellenállás, nem sok értelme lenne fix ellenállásként használni. Nézzük az alábbi sematikus ábrát:

1. ábra

Az áram az A és a C kivezetések közötti pályán folyik (piros nyíl). Minél rövidebb az A-C szakasz, annál kisebb a potméter ellenállása és annál kisebb résznek kell eldisszipálnia a keletkező hőt.

A potméter ellenállását úgy változtatjuk, hogy mozgatjuk a csúszkát, így az ellenálláspályának kisebb vagy nagyobb részén engedjük át az áramot. A gyakorlatban a potméterek többségének ellenálláspályája egy 220...270 fokos köríven helyezkedik el, a szemléletesség kedvéért ezt a pályát (vastag vonal) az ábrán kiegyenesítettem. Az áram az A kontaktus és a csúszka, vagyis a C kontaktus között folyik. Nem nehéz belátni, hogy minél rövidebb az aktív ellenálláspálya, vagyis minél kisebb értékre állítjuk a potmétert, annál kisebb felületnek kell eldisszipálnia a keletkező hőt. Ebből első pillantásra az következne, hogy egy 1 watt névleges terhelhetőségű és 100 ohmos potméter középállásban, azaz 50 ohmon már csak 0.5 wattal terhelhető, még kisebb ellenállásra állítva pedig arányosan még kevesebbel. A műanyagházas, szénréteg anyagú potméterekre ez valóban így igaz, az ilyen típusú potméterek terhelhetősége az alábbi grafikon szerint közel lineárisan változik:

2. ábra

A vízszintes tengelyen a potméter relatív ellenállása (a maximálishoz képest), a függőleges tengelyen a névleges teljesítmény kihasználható hányada van feltüntetve. A képet Carl David Todd The Potentiometer Handbook című könyvéből (a Bourns cég kiadványa) vettem kölcsön.

A teljesítmény-potméterek esetében szerencsére jobb a helyzet. Ennek magyarázata az ilyen típusú potméterek kivitelében keresendő, ui. a teljesítmény-potméterek ellenálláspályája rendszerint egy hőálló anyagra feltekercselt fémhuzal, burkolatuk pedig fém. Ezeket hívjuk huzalpotméternek. Mivel a fém jól vezeti a hőt, a keletkező hő elvezetésében részt vesz az ellenálláspálya inaktív szakasza is, a fémház pedig tovább segíti a hőelvezetést. Az alábbi ábrán egy huzalpotméter power derating karakterisztikáját láthatjuk, szintén a The Potentiometer Handbook című kézikönyvből:

3. ábra

A fémházas huzalpotméterek - ilyen a legtöbb teljesítmény-potméter - power derating karakterisztikája nonlineáris.

Nézzük meg a fentebb már bemutatott táblázatban szereplő, 4V minimális ventilátorfeszültségre méretezett potenciométer szükséges terhelhetőségét a nonlineáris karakterisztika szerint korrigált értékekkel:

2. táblázat

A táblázatban a p oszlop a power derating factor értékét tartalmazza a potméteren beállított ellenállás és a maximális ellenállás százalékos aránya szerint. A jobb szélső oszlopban a potméter szükséges terhelhetőségét láthatjuk az ellenállás százalékos aránya szerint, a p tényezővel korrigálva

Most már láthatjuk, miért füstölt el az 1 wattos potméterünk. Hát azért, mert a szükséges 2.3W felénél is kisebb volt a terhelhetősége!

A táblázatból még egy érdekes dolgot megtudhatunk: A potméter aktív szakaszának relatív hőterhelése a kisebb ellenállásértékek felé haladva egyre nő, vagyis akkor van a legnagyobb terhelésnek kitéve, amikor a legkevésbé használjuk, azaz a legkisebb mértékben csökkenti a ventilátorunkra jutó feszültséget.

Ebből az is következik, hogy a szükségesnél kisebb teljesítményű potméterrel is megelégedhetünk, ha ügyelünk arra, hogy ne tekerjük a táblázatban megadott terhelhetőséghez tartozó ellenállásnál kisebb értékre, vagyis ekkor nem szabad a ventilátorral megközelíteni a maximális fordulatszámot. A táblázatból kiolvasható, meddig szabad elmennünk. Ám ha csak egyszer is megfeledkezünk erről, könnyen füstölés lehet a vége.

A minimális feszültség megválasztása

Az írás elején megemlítettem, hogy a méretezéshez meg kell adnunk a ventilátorra rákapcsolni kívánt legkisebb feszültséget. Minél kisebb ez a feszültség, annál nagyobb ellenállású potmétert kell választanunk. Mivel azonban a ventilátort szükség esetén gyorsítani is szeretnénk, a gyorsabb forgáshoz szükséges kisebb ellenállás egy nagyobb ellenállású potméter ellenálláspályájának csak kisebb szakaszával érhető el. A kisebb disszipáló felülethez tartozó kisebb power derating tényező miatt viszont nagyobb névleges terhelhetőségű potmétert kell választanunk, ami magasabb árat jelent.

A 2. táblázatban bemutattam, hogy egy 350mA-es ventilátorhoz 68 ohmos és 2.3 wattos potméterre van szükségünk, ha a ventilátorra kapcsolni kívánt minimális feszültséget 4V-nak választjuk. Most nézzük, milyen potméterre van szükségünk akkor, ha a minimális feszültséget 6V-nak választjuk:

3. táblázat

Látható, hogy ekkor már egy másfél wattos potméter is bőven elegendő, ami biztos olcsóbb, mint egy 2.5 wattos. Érdemes tehát a ventilátor feltétlenül szükséges lassítására méreteznünk a potmétert, ezzel a pénztárcánkat kíméljük.

A méretezéshez szükséges táblázatot az OpenOffice.org táblázatkezelőjével készítettem, a dokumentum innen tölthető le. A három zöld cellába írjuk be a tápfeszültséget (12V), a ventilátor maximális áramát milliamperben és a ventilátorra kapcsolandó minimális feszültséget voltban. Alattuk a piros színű cellákban megkapjuk a potméter ellenállását ohmban és teljesítményét wattban.

A táblázat a legtöbb esetben olyan értéket fog megadni, amilyet a kereskedelemben nem árulnak. Ekkor játsszunk az Umin értékével mindaddig, amíg a kapható értékeket a lehető legjobban megközelíti az eredmény.

A potenciométer elhelyezése

Kéttűs (fordulatszám-visszajelzés nélküli) ventilátor esetén elektromos szempontból teljesen mindegy, hova kötjük be a potmétert: tehetjük a ventilátor földvezetékébe (fekete), de tehetjük a 12V-os vezetékébe is (piros). Háromtűs ventilátornál ugyanez a helyzet, ha nincs szükségünk a fordulatszám-visszajelzésre.

Ha viszont van az alaplapunkon szabad ventilátorcsatlakozó és ki akarjuk használni a fordulatszám-visszajelzés lehetőségét, akkor a potmétert csak a ventilátor piros vezetékére köthetjük. Ellenkező esetben a fordulatszám-visszajelzés jelét adó tranzisztor emittere - és ezzel együtt a nyitott kollektoros kimenet - olyan magas potenciálra kerülhet, hogy az alaplap nem fogja érzékelni az impulzusokat. A 12V-os vezetékbe kötve a potméter ellenállása nem okoz gondot, mert a nyitott kollektoros kimenetet az alaplap húzza fel 12V-ra.

Végezetül egy tanács. Az 1. ábrán látható, hogy a potméter változtatható ellenállásként történő használatához nincs szükség a B kivezetésre, hiszen az áram az A és a C (csúszka) kivezetés között folyik. A gyakorlatban azonban célszerű a B és a C kivezetést összekötni:

4. ábra

A potméter nem használt B kivezetését kössük össze a csúszkával (C kivezetés). Ha a csúszkánál megszakad a kontaktus, a szaggatott piros nyíl irányában még mindig folyik annyi áram, hogy ne álljon le a ventilátor.

Ekkor a potméter tekerése közben kis mértékben csökken a csúszka mozgatásakor fellépő áramingadozás. Lényegesebb azonban, hogy ventilátorunk akkor is megkapja az előre meghatározott minimális működési feszültséget, ha bármi okból (pl. mechanikai hiba) megszűnik a csúszkánál a kontaktus. (Leégés ellen persze nem véd!) Ezért is célszerű minimális feszültségnek olyan értéket választani, amelyen a ventilátor még biztosan elindul.

Felhasznált irodalom:
Todd, Carl David: The Potentiometer Handbook - a Bourns cég kiadványa