Тихое жужжание кулеров

Вместо предисловия

Занимаясь как-то компьютером на базе Р166ММХ, среди прочего я обнаружил неработающий вентилятор блока питания. Из слов хозяина выяснилось, что вентилятор как-то с год назад застучал – чему были подтверждением физические повреждения лопастей и внутренней поверхности корпуса, стук прекратился почти сразу же – вместе с жизнью самого вентилятора, сам хозяин сразу же про это забыл. Запаса мощности обычного 200-ваттного блока питания вполне хватало, чтобы обеспечить работоспособность системного блока, не выходя из рабочего температурного режима. Техника с тех пор не стояла на месте, процессорные частоты выросли на порядок, увеличилась общая потребляемая мощность системных блоков, и только паспортные мощности блоков питания существенно не выросли, а значит температурные режимы работы ключевых элементов достаточно тяжёлые, и неисправность вентилятора блока питания может привести к непоправимым последствиям. Стимулом к разработке описываемого ниже устройства явилась установка в стандартный блок питания второго вентилятора, работающего на вдув из системного блока и работа обоих вентиляторов при напряжении питания в 9В. Если работу штатного блока питания можно проверить, подставив ладонь под выдуваемый поток воздуха, то работу второго проверить достаточно сложно даже визуально. Из этого исходило главное "техническое задание" - обеспечить визуальный контроль режима работы вентилятора. Стоимостные характеристики с самого начала не выдвигались на первый план, но в итоге оказалось, что стоимость готового устройства не превышает стоимости самого вентилятора. Занимаемый объём готового устройства, которое помимо сигнализации режима работы вентилятора в окончательном виде выполняет ещё ряд функций – обеспечивает двигатель вентилятора пониженным напряжением питания с фильтрацией импульсных помех от него и плавным запуском при включении, не превышает объёма спичечного коробка.

При минимальной доработке схемы устройство может обеспечивать авторегулировку частоты вращения от температуры.

Внутри вентилятора

Электрические схемы всех вентиляторов приблизительно одинаковы, с двумя их вариантами можно познакомиться на приведённых ниже схемах из журнала "Радио":

В этой же статье ("Ремонт вентиляторов электронных устройств" Р.Александрова) можно ознакомиться и с принципом их работы.

Реальные схемы вентиляторов могут отличаться лишь типом применяемых элементов и степенью их интеграции. В большинстве своём "двухпроводные" вентиляторы выполнены аналогично первой схеме. "Трёхпроводные" вентиляторы имеют в своей схеме дополнительный маломощный транзистор, включённый по схеме "с открытым (неподключённым) коллектором" - типовые схемы включения таких вентиляторов можно найти, например, в "даташите" на микросхему мониторинга системной платы W83781D.


Вот так выглядит плата одного из таких такого вентиляторов (вид с обеих сторон):


В схеме этого вентилятора датчик Холла интегрирован с ключевыми транзисторами, сигнал для датчика частоты вращения снимается с маломощного транзистора из серии ZGA.


Типовую схему включения и будем иметь в виду при разработке датчика вращения двигателя вентилятора. Вот его схема:


При работающем вентиляторе будут светиться оба светодиода, подборкой сопротивления резистора R4 добиваются их одинаковой яркости свечения, при этом при остановке двигателя должно быть заметно изменение яркости свечения. В случае остановки двигателя будет гореть только один из них. При движении с прерываниями будет заметно моргание светодиодов. При подключении в разрыв между R2 и базой транзистора конденсатора ёмкостью около 50мкФ при изменении частоты вращения будет изменяться и яркость свечения светодиодов. При использовании ещё нескольких радиоэлементов можно обеспечить аварийное отключение системного блока при выходе вентилятора из рабочего режима или задействование запасного.

В качестве схемы датчика вращения "двухпроводного" вентилятора можно было взять такую (впрочем, эта схема годилась и для "трёхпроводного" вентилятора).


При этом яркость свечения светодиода обратно зависела бы от тока потребления вентилятора – максимальное свечение при обрыве по цепи питания вентилятора, отсутствие свечения при коротком замыкании. Настройка подобного устройства сводилась бы к подбору сопротивлений двух резисторов – подбором R1 (~ 5 Ом) устанавливаем падение напряжения на нём при номинальном токе потребления вентилятора в районе 0.5-0.75В, подбором R2 добиваемся ощутимого изменения яркости свечения светодиода при остановке двигателя. Схема имеет "право на жизнь", но мы пойдём другим путём – превратим "двухпроводной" вентилятор в "трёхпроводной", ничего не меняя в его схеме. Сделать это достаточно легко. Для снятия сигнала, частота которого пропорциональна частоте вращения крыльчатки вентилятора, подходит коллектор любого из ключевых транзисторов. При этом датчиком вращения может быть первая схема с удалённым из неё резистором R1 без изменения параметров остальных элементов схемы. Остаётся только снять крыльчатку для доступа к элементам схемы, найти коллектор одного из транзисторов, припаять и зафиксировать провод и снова собрать. Заодно, если вентилятор уже побывал в работе, провести регламентные работы по удалению пыли и смазке вала.

Необходимый вывод транзистора найдём прозвонкой выводов относительно плюсового провода питания схемы на наличие низкоомной цепи сопротивлением в ~60 Ом и припаяем к нему провод.


На этом доработку двухпроводных вентиляторов можно считать законченной. Если не забыть, как его собрать.

Борьба с шумом

Редкий пользователь, установив вентилятор в корпус, не начинает борьбу с шумом. Причём, как правило, это заключается в подсоединении питания двигателя между проводами +12В и +5В. Как правило, любые доводы противников такого подключения не принимаются в расчет его сторонниками. Я тоже решил "вложить свою копейку" в этот спор. Для этого я немного изменил входные цепи старой звуковой карты Genius SM32х и использовал её в качестве осциллографа для снятий пульсаций по обеим шинам питания +12В и +5В одновременно с помощью звукового редактора Sony Sound Forge 7.0.
Первая "осциллограмма" относится к случаю подключения вентилятора к шинам +12В и 0.

Верхняя осциллограмма относится к шине +12В, нижняя – к +5В.

А вот что представляет собой осциллограмма при подключении вентилятора к шинам +12В и +5В.

Если шина +12В спокойно перенесла такое подключение, то обратите внимание на появившиеся импульсы по шине +5В в положительных значениях. Эти импульсы есть ни что иное, как коммутационные помехи ключевых транзисторов схемы управления двигателем и импульсные помехи его катушек. Помехи эти достаточно сильные – при измерении пикового значения с помощью осциллографа С1-55 для коммутационных помех данного вентилятора было получено значение более 0.2В – при использовании процессорного кулера для охлаждения интегрированного 4-х канального усилителя мощности ЗЧ суммарной мощностью в 120Вт с питанием через интегральный стабилизатор КР142ЕН8 фон удалось убрать только при подключении конденсатора ёмкостью не менее 1000мкФ. Именно это значение ёмкости является рекомендуемым и для схемы понижения напряжения питания двигателя вентилятора, о которой будет рассказано чуть ниже. А сейчас выясним, как уменьшается производительность кулера при понижении питания. Для этого снимем зависимости частоты вращения крыльчатки от напряжения питания двигателя для разных вентиляторов (все они представлены на первой фотографии), зависимость частота/напряжение для "двухпроводных" вентиляторов, оказавшихся под переделкой, была подобной зависимости для третьего вентилятора с номинальной частотой вращения в 2400об./мин.

Видим, что частота вращения линейно зависит от напряжения питания вплоть до границы рабочего участка напряжения питания. Однако зависимость проходящего объёма воздуха от частоты вращения можно принять за квадратичную – исходя из этого можно понять, что чем тихоходнее двигатель, тем меньше в производительности мы потеряем при одинаковом уменьшении питающего напряжения по сравнению с более скоростными. При снижении напряжения питания, на мой взгляд, достаточно остановиться на границе в 8-9 вольт – во-первых, именно тут происходит резкое уменьшение акустического шума от вращающейся крыльчатки, и, во-вторых, падение производительности не так ещё ощутимо. Так как помимо снижения акустического шума мы преследуем ещё и задачи снижения импульсных помех, и нам предстоит параллельно питающим выводам двигателя вентилятора подключить конденсатор большой ёмкости, то следует каким-то образом ограничить начальный пусковой ток, значение которого будет складываться из тока заряда конденсатора и пускового тока самого двигателя – измеренные значения пускового тока у разных вентиляторов дали его значение не меньше удвоенного значения номинального тока. Лучшим решением этой задачи следует признать использование мощного полевого MOSFET-транзистора – из-за большого входного сопротивления затвора можно ограничиться во времязадающих цепях конденсаторами небольшой ёмкости – до 100мкФ.


Окончательной редакцией явилась следующая схема, настройка которой заключается в подборе ёмкости C1, при которой происходит плавное нарастание потребляемого тока при включении. В зависимости от типа полевого транзистора, можно получить на выходе напряжение в пределах 9.5-8.5 В. Я остановил свой выбор на IRFZ24N (по отношению цена/технические характеристики) – с ним напряжение на выходе при входном напряжении в 12В получается 8.8В. Эту схему можно слегка доработать – напряжение на затвор можно подавать со среднего выхода потенциометра, подключенного к питающим проводам, при шунтировании одного из плеч этого потенциометра терморезистором можно получить на выходе напряжение прямо или обратно пропорциональное изменению температуры. Кроме того, при необходимости повысить выходное напряжение, можно выводы стока и истока зашунтировать резистором сопротивлением около 50Ом.
В окончательном виде устройство выглядит так:


Полевой транзистор установлен на припаянный к контактной площадке медный фланец от подобного корпуса, перед припайкой которого следует снять фаску по его контуру. Температурный режим работы транзистора под нагрузкой в "один вентилятор" при таком охлаждении – 40 градусов. Монтаж выполнен на двухсторонней плате с использованием радиоэлементов для поверхностного монтажа (от старых плат ISA-устройств). Крепёж платы – по месту. Светодиоды выносятся на лицевую панель.

Автоматическое включение резервного вентилятора

Рассмотрим полную схему получившегося устройства.


Видим, что если исключить резистор R1 из схемы, то можно открывать ключ VT2 с помощью схемы, которая бы работала по следующему алгоритму – есть сигнал на открытие ключа при остановке двигателя другого вентилятора, нет сигнала – при нормальной работе двигателя вентилятора. Реализуем этот алгоритм с помощью простейшего детектора состояния датчика работы вентилятора.


При наличии вращения конденсатор C2 перезаряжается, что вызывает появление переменной составляющей на резисторе R6, положительная полуволна которой открывает транзистор VT2 и подзаряжает конденсатор C3, который не даёт закрыться транзистору VT2 во время отрицательной полуволны, которая через диод VD3 "садится" на схемный ноль. Для более чёткой работы детектора на месте этого диода лучше применять диоды с низким прямым напряжением, например, германиевые типа Д9. Я применил диод Д18. При отсутствии вращения конденсатор C3 разряжается через резисторы R6 и R7, а также через эмиттерный переход VT2. При этом напряжение на коллекторе VT2 повышается, что ведёт к открыванию полевого транзистора и подаче на резервный вентилятор напряжения питания.
Подбирая ёмкость конденсатора C3 можно обеспечить "тестирование" работы резервного вентилятора при первом включении в течение времени заряда этого конденсатора.
При замене основного вентилятора на исправный резервный вновь останавливается.

Вот полная схема такого устройства:

А вот его внешний вид в собранном состоянии:

Две платы датчика работы вентилятора установлены на кросс-плату, на которой находится детектор. Вентиляторы подсоединяются к стандартным трёхконтактным вилкам подключения вентиляторов. Питание можно подать, например, через стандартный разъём подключения вентиляторов (как на снимке). Вместо пар светодиодов можно применять двуханодные двухцветные светодиоды.

Литература по теме

1. Журнал "Радио" №12, 2001г. "Ремонт вентиляторов электронных устройств", Р.Александров, стр.33-35.
   
2. Журнал "Радио" №2, 2002г. "Звуковой сигнализатор неисправности вентилятора", Д.Фролов, стр.34