Adegua e stabilizza la velocità di rotazione di elettroventole in corrente continua in funzione della temperatura rilevata nell’area o sul dissipatore che deve essere raffreddato.
Siamo un po’ tutti abituati a vedere le ventole di raffreddamento dei sistemi elettronici come qualcosa che si accende, fornendo la tensione nominale, quando ci serve e si spegne quando non occorre più; in quest’ottica vengono realizzati i classici controlli termostatati, basati su interruttore termostatico tradizionale o elettronico allo stato solido, che operano una gestione di tipo on/off asservita alla temperatura rilevata da una lamina bimetallica o da un termistore NTC.
Questo tipo di controllo è però poco efficiente sotto l’aspetto energetico e poco versatile, ragion per cui abbiamo pensato di progettare un controller che fosse in grado di adeguare il flusso d’aria della ventola e quindi il suo numero di giri (velocità angolare) alla temperatura dell’elemento ventilato, in maniera lineare.
Otteniamo così una velocità della ventola proporzionale alla temperatura ed un controllo rispondente alle necessità di raffreddamento, per un controllo acustico e una maggiore durata della ventola.
Schema elettrico del controllo Automatico per Ventola
Il progetto qui descritto è un regolatore di velocità di elettroventole in modalità switching per l’uso con motori CC a spazzole (brushed) o senza spazzole (brushless). Il controllo della velocità proporzionale alla temperatura viene eseguito utilizzando la modulazione della larghezza degli impulsi, anche nota come tecnica PWM. L’elemento sensore utilizzato per rilevare la temperatura è un termistore NTC da 10 kohm a 25 °C.
Il circuito è stato realizzato utilizzando il chip TC648 della Microchip, configurato in modalità di spegnimento automatico, sulla quale torneremo tra breve.
Il controller ventola
Il TC648 è un controller di velocità delle ventole switching PWM, del quale vedete lo schema a blocchi in Fig. 1.
Fig. 1 Schema a blocchi dell’integrato TC648
Nel TC648, il controllo della velocità angolare proporzionale alla temperatura viene eseguito attraverso un modulatore PWM, composto da un comparatore che confronta una tensione continua applicata al piedino Vin con una forma d’onda a dente di sega prodotta dal blocco Clock Generator. Un termistore (o altro sensore di temperatura con uscita in tensione) collegato all’ingresso Vin del comparatore fornisce la tensione di controllo richiesta, che è tipicamente compresa fra 1,25V e 2,65 V, escursione cui corrisponde un duty-cycle che spazia dallo 0% al 100%.
Il TC648 può essere configurato per funzionare in modalità di spegnimento automatico o in modalità velocità minima. In modalità di spegnimento automatico, il funzionamento della ventola viene sospeso automaticamente quando la temperatura misurata (attraverso la tensione che raggiunge Vin) è inferiore a quella programmata dall’utente come impostazione minima (Vas). La ventola è automaticamente riavviata e il controllo proporzionale della velocità ripristinato, quando Vin supera Vas (sommando l’isteresi del comparatore). Durante lo spegnimento, la corrente di alimentazione scende a 25 µA (valore tipico)
L’operatività in modalità di velocità minima è simile a quella a spegnimento automatico, con l’eccezione che la ventola, una volta raggiunta la temperatura minima (ossia quando viene misurata la temperatura più bassa) viene mantenuta in funzione ma all’impostazione minima programmata dall’utente. Un timer di avvio integrato garantisce un affidabile avviamento del motore della ventola all’accensione e quando si esce dalla modalità di spegnimento o spegnimento automatico.
L’integrato dispone anche di una linea di uscita di allarme (OTF = Over Temperature Failure) di guasto per sovratemperatura, la quale viene attivata (ovvero si porta a zero logico) quando il segnale PWM raggiunge un duty-cycle del 100%, indicando una possibile situazione di deriva termica; in breve, questa uscita indica che la ventola potrebbe non essere sufficiente a raffreddare l’apparato cui è applicata.
Come accennato poc’anzi, nel nostro progetto utilizziamo l’integrato nella modalità di spegnimento automatico, dove il funzionamento della ventola viene sospeso automaticamente quando la temperatura misurata è inferiore a 25 gradi centigradi. La ventola si riavvia automaticamente e il controllo proporzionale della velocità viene ripristinato quando la temperatura supera i 25 gradi centigradi, fatta salva l’isteresi prevista nel comparatore per evitare il pendolarismo del controllo, ovvero che l’uscita del comparatore stesso continui ad invertire il proprio stato quando VIN presenta un potenziale nell’intorno di quello presente sul piedino VAS.
Bene, spiegato il funzionamento dell’integrato, vediamo in che modo si applica al nostro circuito, analizzando lo schema elettrico: come vedete il TC648 (siglato U1) è l’elemento circuitale principale e il segnale PWM presente al suo piedino di uscita (VOUT) pilota, tramite il partitore resistivo formato da R3 ed R4, il gate di un MOSFET enhancement-mode a canale N (Q) la cui funzione è pulsare la tensione ai capi dell’elettroventola, in modo da impostarne la velocità angolare.
Il MOSFET funziona da interruttore statico e ad ogni impulso ricevuto sul gate chiude praticamente a massa il polo negativo del motore della ventola, il cui positivo è collegato alla linea +PWR dell’alimentazione del circuito.
Il riferimento di temperatura viene fornito all’integrato dal termistore NTC, collegato all’ingresso VIN, sul quale arriva anche la tensione ottenuta dal partitore resistivo R1/R2 che stabilisce la massima escursione sul predetto piedino; per l’esattezza, NTC fa partitore con la R2, mentre la resistenza R1 serve ad evitare che la tensione su VIN scenda eccessivamente quando la temperatura scende al disotto della soglia o salga troppo a temperature più elevate di quella prevista.
Il termistore è da 10 kohm alla temperatura di riferimento di 25 °C. Il condensatore C3 è stato inserito per filtrare la tensione su VIN in modo da evitare che fluttuazioni nella linea di alimentazione o disturbi captati dai collegamenti, nonché la pulsazione del PWM sulla ventola e il carico che ne deriva, possano alterare in funzionamento del modulatore, bloccandolo o determinando false commutazioni.
Procediamo con l’analisi dello schema elettrico analizzando il partitore resistivo formato da R3 e R5, collegato all’ingresso VAS, il quale imposta la soglia di spegnimento automatico. Lo spegnimento automatico si verifica quando la tensione sull’ingresso VIN è minore o uguale a quella su VAS. La ventola si riavvierà automaticamente quando il potenziale su VIN diverrà maggiore o uguale a quello sul VAS, sempre considerando l’isteresi del comparatore.
Per come sono stati dimensionati i partitori, il duty-cycle del segnale PWM varierà dal 42% al 100%; il 42% è il setpoint per la velocità minima dell’elettroventola e oltre questo valore, cioè se il comparatore dovesse portarsi al disotto di esso, avverrebbe lo spegnimento della ventola stessa.
La frequenza del PWM è determinata da quella del segnale a dente di sega prodotto internamente all’U1 e dipende dal valore del condensatore collegato al pin CF e quindi, nel nostro circuito, dal C5; nel nostro caso la frequenza impostata è di 30 Hz e costituisce anche la base dei tempi per il timer di avvio (startup della ventola).
Il timer di avvio serve per garantire un avvio affidabile della ventola, nel senso che provvede ad un soft-start, quindi avvia la ventola facendola accelerare gradualmente per evitare sollecitazioni sia meccaniche del suo motore, sia elettriche del circuito, oltre che spike di corrente che possono generare disturbi al circuito stesso e ad altri apparati elettronici nei dintorni.
Il timer di avvio attiva l’uscita VOUT per 32 cicli del PWM ogni volta che la ventola viene avviata dallo stato spento; ciò si verifica all’accensione e quando si esce dalla modalità di spegnimento o spegnimento automatico. Il tempo di avvio è di circa un secondo, con frequenza del PWM di 30Hz.
Vediamo ora come si effettua il calcolo della modalità di spegnimento automatico del TC648, iniziando con il partitore R1 e R2, dimensionato sull’utilizzo di un NTC avente una resistenza di 10 kΩ a TMIN (25°C) e 4,65 kΩ a TMAX (45°C) per rientrare nella finestra di tensione suaccennata. I valori che ne risultano sono: R1 = 20 kΩ R2 = 3K6 kΩ.
Per impostare le temperature di accensione e di spegnimento automatico, il costruttore rende disponibili queste due formule:
V(T1) = (VDD x R2) / Rtemp (T1) + R2
e
V(T2) = (VDD x R2) / Rtemp (T2) + R2
In queste formule, T1 e T2 sono le temperature scelte e Rtemp è il parallelo tra il resistore R1 e il termistore NTC. Le due equazioni semplificano la risoluzione delle due variabili incognite R1 e R2.
Per quanto riguarda il pin VAS, l’impostazione della soglia di 1,8 V si ottiene con R3 = 33 kΩ R5 = 18 kΩ.
È possibile ottenere vari intervalli di velocità (duty-cycle) modificando il valore del resistore.
Ciò detto, passiamo allo stadio di alimentazione del nostro controller, che parte dalla morsettiera di ingresso ±PWR cui si applica la tensione principale, la quale opportunamente filtrata dal condensatore C7 viene portata a 5 volt ben stabilizzati tramite il regolatore integrato U2, che è un classico 78L05, ossia il 7805 in case TO-92. L’uscita di questo componente viene ben filtrata da C1 (per ridurre l’eventuale ripple dell’alimentatore in alternata) e da C2 (per sopprimere eventuali interferenze impulsive e ad alta frequenza) quindi i 5 volt raggiungono l’alimentazione (piedini 8 e 4) del TC648.
Il circuito di comando della ventola è invece derivato direttamente dall’ingresso PWR. A proposito di ventola, il MOSFET Q1 e le piste del circuito stampato del nostro progetto sono calcolati per pilotare elettroventole con assorbimento fino a 3A, un valore che sicuramente soddisfa la gran parte delle applicazioni e che permette di gestire gruppi di elettroventole per raffreddare server, apparati di potenza ed anche vani, giacché 3 ampere a 12 volt significa disporre di una potenza di 36W; se consideriamo che un’elettroventola da PC assorbe tipicamente una cinquantina di milliampere, capite cosa si può fare con il nostro controller.
Notate che alcune ventole richiedono un segnale PWM per funzionare; in questo caso potete utilizzare il gate del MOSFET per prelevare il segnale PWM diretto.
Realizzazione pratica
Elenco Componenti:
R1: 75 kohm R2: 1 kohm R3: 10 ohm R4: - R5: 33 kohm R6: 18 kohm C1, C4: 10 µF 63 VL elettrolitico C2, C7: 100 nF ceramico C5: 1 µF 63 VL poliestere C3, C6: 10 nF 63 VL poliestere Q1: BS170 U1: TC648VPA U2: 78L05 NTC: NTC 10 kohm Varie: - Zoccolo 4+4 - Morsetto 2 poli passo 5 mm (2 pz.) - Circuito stampato FK008 (36x42 mm)
Bene, esaurita la teoria possiamo passare alla parte costruttiva di questo progetto.
I primi elementi da saldare sono quelli a più basso profilo, quindi resistenze e zoccolo DIP a 4+4 pin per l’integrato TC648, quindi si procede con i condensatori, prestando attenzione alla polarità di quelli elettrolitici, con il regolatore 78L05 (da orientare con il lato piatto rivolto al condensatore C2) e con le due morsettiere a passo 5 mm per l’alimentazione (+ e – PWR) e l’uscita di controllo della ventola (+ e – FAN). Completate il circuito inserendo nello zoccolo l’integrato U1, badando di orientarlo come mostrato nel piano di montaggio e verificando che nell’inserzione non si pieghi alcuno dei terminali sotto al corpo.
Fatto ciò il controller è pronto per l’uso, perché non ha alcun elemento da tarare: alimentate la morsettiera + e – PWR con una tensione continua idonea a quella della ventola (tipicamente 12Vcc) mediante un alimentatore in grado di erogare la corrente richiesta dalla ventola stessa, più una ventina di milliampere occorrenti al controller per funzionare. La ventola va connessa alla morsettiera FAN, rispettando la polarità indicata, altrimenti girerà al contrario o non girerà affatto.
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