Bevezető

A konzumer eszközök hiányos termikus méretezése az egyik olyan terület, ahol sokszor mi magunk is könnyedén be tudunk avatkozni, ezáltal növelve annak üzembiztonságát. Akár az állandósult magas hőmérséklet, akár a fogyasztási csúcsokban fellépő thermal-shock hathatósan képes csökkenteni egy-egy berendezés élettartamát. A legtöbb esetben egy alapszintű átszellőzést biztosító ventilátorral kitolható a használhatóság ideje annak teljes műszaki elavulásáig.

A neten fellelhető megannyi műveleti erősítőre (OPA) épülő ventilátor-vezérlő közül sok csak termosztátként funkcionál, tehát vagy pörög maxon a ventilátor, vagy nem megy egyáltalán. Ebből, kis módosítással, azért lényegesen többet is ki lehet hozni és még az alkatrészek száma sem növekszik. Az alábbi megvalósítás lelke szintén egy műveleti erősítő, de ez nem egybites, hanem lineáris kimenetet ad. A lényege, hogy a lineáris kapcsolásból adódóan, a két bemenetet azonos potenciálon akarja az OPA látni, e szerint állítja a kimenetet.

Az áramkör a rákötött ventilátor feszültségét úgy állítja, hogy a nem invertáló bemenetre, a visszacsatoláson keresztül érkező feszültség egyezzen meg az invertáló bemeneten megjelenő feszültséggel. Ez utóbbi az NTC-POTM feszültségosztón kialakuló potenciál, amit üzem közben a környezeti hőmérséklet befolyásol, így oldva meg a lineáris szabályzást. (Technikai értelemben véve ez vezérlésnek minősül, de a cikkben én mégis szabadon használom a fogalmat.)

Sematikus kapcsolás

Az áramkör karakterisztikáját alapvetően a trimmer-potenciométer, valamint az erősítést meghatározó R1 ellenállás értékei befolyásolják. Ahogy melegszik a környezet, az NTC-nek csökken az ellenállása. Ez feszültségemelkedést okoz az OPA invertáló bemenetén, amire ez úgy reagál, hogy egyre jobban nyitja a T1-et. A visszacsatolás nem az OPA kimenetéről történik direktben, hanem a T1 kollektoráról (ami egyben a ventilátor "+" bemenete is), mert végül is a ventifesz. a kívánt vezérelt jellemző és nem az OPA kimenete. T1-en – teljesen nyitott állapotot feltételezve is – marad kb 0.2 V, amit csak a betáp ugyanilyen mértékű megemelésével lehetne kikompenzálni; de értelme nem sok van, hiszen ez egyrészt elhanyagolható, másrészt mindenki azon küzd, hogy lehetőleg ne maxon járjon a hűtés.

A ventilátor felpörgését meghatározza annak indulási fesze, ami általában egy 3,5-5,5 V közti érték, típustól függően (12 V-os, BLDC típust feltételezve, vagyis szinte az összes "PC-s venti").
Ehhez az értékhez hangoljuk a trimmerpotival az áramkörünket, empirikus úton. Persze, ha van a kezünk ügyében hőmérő, az sokat segít, de nem kritikus. Fontos: az elektronika a venti elindulása előtt is ad feszt annak kapcsaira. Egy azaz egy darab OPA csatornába ennyi okosságot lehet beleszuszakolni. Ha ez valakit zavar, akkor a trimmert úgy kell állítani, hogy már alacsony hőmérsékleten is adjon annyi feszültséget a ventire, hogy az biztonsággal elinduljon, amikor a készülékünket bekapcsoljuk. Ki erre, ki arra esküszik, én speciel még nem találkoztam olyannal, hogy azért ment volna tönkre ventilátor, mert túl kevés feszültséget kap és nem pörög fel; ugyanakkor 100%-ban ki sem zárható.
Az elérhető elméleti max. fordulathoz tartozó hőmérsékleti érték pedig leginkább a beállított erősítés értékével korrelál.

Egy gyakorlati megvalósítás

Első valós tesztek

A szabályzásnak van némi hiszterézise is; nevesül a kikapcsolás kb 8-10 °C-kal alacsonyabb értéken történik meg, mint az elindulás. Részben ezt a venti hiszterézise, részben viszont maga T1 által termelt hő befolyásolja, ugyanis ez egy panelon van az NTC-vel. Ugyan van lehetőség az NTC külső elemre való cserélésére, de én személy szerint inkább ragaszkodok ehhez a beépített biztonsági fícsörhöz, ugyanis ez nyújt egyfajta védelmet a T1 túlmelegedése ellen. Egyébként a legtöbb hőt kb. 7 V-os kimenet környékén termeli, tehát ha átmelegíti az NTC-t, akkor a tranzisztort a szabályzás jobban nyitja, ebből következőleg kevesebb lesz a hőtermelése is.
Ha mégis külső NTC mellett döntünk, akkor próbáljuk a panel hőleadó részét többé-kevésbé a légáramba tenni, vagy legalább olyan helyre, ahol még érvényesül az átszellőztetés jótékony hatása.

Egy minimalista és egy kissé szellősebb megvalósítás

Kétféle nyáktervet próbáltam ki. Mindkét esetben az elfoglalt terület minimalizálása volt a cél a könnyebb beépíthetőség okán. Így minden alkatrész SMD, még a trimmer is. OPA-ból is a SOT23 lett a kiszemelt tokozás. A passzív elemekből 0603 méret alá nem mentem, ezeket még szükség esetén lehet otthoni eszközökkel szervizelni.
A kisebbik PCB inkább oda ajánlott, ahol cipőskanállal tudunk csak bármi extrát bezsúfolni, így az NTC onboard, és a ventinek sincs külön csatlakozója, nem növelve tovább az elfoglalt térfogatot. A nagyobbik inkább oda javallt, ahol már eleve nagyon magas a környezeti hőmérséklet és/vagy a ventilátort is könnyen el szeretnénk távolítani szerelés/karbantartás miatt, valamint kapacitásból is valamiért az (+)1000 uF a kívánatos.

Ha arra kényszerülünk, hogy az eszköz a határparaméterek környékén üzemeljen, akkor érdemes a felrögzítést egy fémtuskóval megoldani, ami tovább vezeti a T1 által termelt hőt a készülék házára. Ennek kollektora galvanikusan össze van kötve a hűtőfelülettel, így TO220-as szigetelőgyűrű és szig. lemezke (csillám, silpad, stb) szükséges a félvezetőt működtető füst tokban tartásához. De akár egy kifúrt alu/réz lemezkét is rögzíthetünk a PCB-hez, de a galvanikus elválasztás ilyenkor is szempont kell legyen.

A kisebbik nyák kb 50-120 mA áramfelvételű ventikre van megalkotva termikusan, ami megfelelő szellőztetéssel a 180 mA-es értéket is elérheti. Tisztességesebb márkák amúgy is megállnak 60-80 mA magasságában, 4-14 cm mérettartományban, "félhangerőn" meg eleve kevesebb az áramfelvételük is.
A tranyó persze bírna lényegesen többet is, de hosszabb távon valami sérülni fog.
Azért persze én is kipróbáltam egy bő 1A-es "workstation" hűtőventivel, de csak egészen rövid ideig. Egyrészt ekkora terhelésen a T1 már nem fog tudni teljesen kinyitni, másrészt a tervezetten messze túlmutató hőtermelés igazából egy nem üzembiztos, félnótás termosztáttá degradálja az egészet.

Kimeneti Elko szerepe

Kimeneti kondenzátor

A beépített elektronikus kommutációval hajtott DC ventilátorok saját maguk vezérlik a fázis-tekercseket. Azok induktivitása, valamint a kapcsolóelemek gyorsasága döntően befolyásolja a tápvonalon megjelenő tüskéket. Szabvány erre nem nagyon létezik, így minden gyártó saját belátása szerint határozza meg. Kíváncsiságból megmértem néhány "noname" ventit , hogy mégis mekkora zajt termelnek ezzel a vezérléssel. Neveket szándékosan nem közlök, mert ilyen mérést LISN-nel illik kivitelezni, én meg csak a szkóp csipeszét akasztottam rá. Azonban ez is jól mutatja a kimeneti kapacitás jótékony zajszűrő hatását.

A ventilátor kapcsain mérhető RMS és p-p zaj

Számomra 100-220 uF közti érték ad optimális eredményt, ettől kisebb kapacitás-értékkel esetleg hallható ciripelés jelenhet meg az analóg láncban, túl magas érték pedig már nagy helyet kér magának beépítéskor, viszont érdemben már nem nagyon ad hozzá a végeredményhez. Az ESR értéke teljesen mindegy, nem dolgozunk olyan meredek élekkel, hogy érdemes lenne kapcs. üzemű tápokra kihegyezett alkatrészekkel vesződni. Gyakorlatilag a legolcsóbb, de új elektrolit-kondenzátor bőven jó erre a célra, csak az üzemi fesze legyen magasabb, mint a tápunké.

Aki egyébként már próbálta a 2 W-os huzalpotméteres ford. szabályzós megoldást, és nem zavarta a konduktív zajemisszió, annak a fenti kapcsolás biztosan kielégítő eredményt fog adni. A huzalpotis/soros ellenállásos esetnél én bő 6 V-os zajt mértem p-p, 47 R-nál, labortápról hajtva. Egy kiegészítő 220 uF-dal is még 350 mV zaj volt mérhető p-p. Szemben a félvezetős megoldással, ahol már egy tizedakkora elko is (22 uF) 200 mV-ra nyomja le a zajt. RMS értékben még rosszabbul teljesít a huzalpotméter; 115 mV vs 4 mV, mindkét esetben 220 uF-okat ráaggatva.

Szimulált huzalpotméteres mérés

DIY

Házilagos kivitelezés

Az egyszerűségét tekintve akár breadboardon is megépíthetjük, de a deadbug-style + légtakony szerelési módot is kultiválja a kapcsolás, csak ne legyenek mérföld hosszú vezetékezések az alkatrészek között.

Szerény kezdetek a protoboardon és az első PCB

Eltérő tápfeszültség

Számos készülék nem rendelkezik +12 V-os tápággal. Többféle módon kerülhető meg a probléma. 8.5-12.5 VDC között a vezérlés még kielégítő eredményt ad, valamekkora fordulatszám-tartomány is átfogható vele, nem szükséges semmi kiegészítő megoldás.
12.5-18 VDC tartományban valamiféle regulációra szükségünk lesz, hogy ne lépjük túl a venti max feszültségét. Ez lehet pl. egy 7812-es feszstab (TO220 preferált), vagy egy zener-áteresztőtranyó kombó, amivel 12 V környékére csökkentjük a tápfeszünket.
18-24 V közt én 24 V-os ventit használnék, mint legegyszerűbb megoldás, de persze itt is és az ez feletti tápoknál is jól működhet az eggyel fentebbi javaslat (figyeljünk a kimeneti kondi és egyéb alkatrészek határfeszültségére!!!). 2db 12V-os ventit nem kötnék sorba, mert semmi sem garantálja később az egyenletes feszültségeloszlást.
Ha a rendelkezésre álló táp 4.5-5.5 V közötti, akkor magát a ventit kell lecserélni 5 V-os típusra.
A kiszemelt tápágnál győződjünk meg arról, hogy bírni fogja a venti extra terhelését.
Ezeken kívül még kipróbálhatunk kínai DC-DC konvertereket is, ám ezeket nem teszteltem, de nem látom akadályát.

5. Segítség a DIY-hoz

Részletes kapcsolás és görbék

A bevált kapcsolás

Különböző munkapont-beállításokhoz tartozó görbék

A fenti görbék 12V-os tápfeszre és "4250-es B-értékű" NTC-re vannak kiszámolva.

Az első kép egy szobahőmérséklet felett kicsivel elinduló ventilátorra hangolt áramkör görbéjét mutatja. Az alacsony erősítésből következően (Au: 1.5, R2: 5k1) csak relatíve magas környezeti hőmérsékletnél (80°C) éri el a max fordulatot.
A 2. képen kissé megnöveltük az erősítést 2x-esre (R2: 10k), így a ventilátorok többsége már biztosan elindul szobahőmérsékleten is és a max fordulat is 60°C alatt áll be.
A 3. és 4. képen a ventilátorra jutó feszültség 40°C környékén éri el a minimális indulási értéket, és az erősítéssel kompenzáljuk az "eltolt karakterisztika" hatását.
Az erősítés az 1+(R2/R1) képlettel határozható meg.

credit: külön köszönet AND-nak a műszaki szaktanácsadásért és lektorálásért!

Örömteli barkácsolást mindenkinek:
DT