inteligentní řízení ventilátoru Tempelweb 1.2

ÚVOD
Elektronická zařízení, na kterých vzniká příliš veliký ztrátový tepelný výkon, je třeba chladit. Ať už se jedná o audio zesilovač, osobní počítač nebo laboratorní zdroj, určitě máte alespoň jedno takové zařízení doma i Vy. Pasivní chlazení by bylo u některých zařízení nedostatečné, respektive příliš objemné, těžké a tudíž i drahé a nepraktické. Proto se používá chlazení aktivního a proudění vzduchu okolo chladičů se urychluje pomocí ventilátorů. Díky větší účinnosti aktivního chlazení lze zařízení miniaturizovat a ušetřit i na výrobních nákladech. Hlavní nevýhodou použití ventilátorů je jimi způsobovaný hluk.


www.elweb.cz

www.elweb.cz
VLASTNOSTI ZAŘÍZENÍ
- Sledování teploty chladiče a její zobrazení na LED displeji
- Inteligentní řízení ventilátoru pomocí pulsně-šířkové modulace
- Snížení hluku způsobovaného ventilátorem


TEPLOTNÍ SENZOR TMP100
Jako teplotní senzor je použit integrovaný obvod TMP100 firmy Texas instruments. TMP100 snímá teplotu na diodě, která je součástí čipu tohoto integrovaného obvodu. Na čipu je dále umístěn A/D převodník, vnitřní oscilátor, paměť, řídící logika a obvody sériového rozhraní I2C. Viz obrázek Obr. 1.
www.elweb.cz

www.elweb.cz
Vlastnosti čidla:
- Digitální výstup
- Rozlišení 9 až 12 bitů
- Přesnost +/- 2°C
- Proudový odběr 45µA
- Napájecí napětí 2,7 až 5,5 V
- Pouzdro SOT23-6

Čidlo nepotřebuje ke své funkci žádné externí součástky. Jeho přesnost je uvedená v souhrnných vlastnostech platí pro rozsah od -25°C do +85°C a pro náhodně vybraný kus integrovaného obvodu. Linearita čidla i relativní přesnost jsou řádově lepší. Po jednoduché softwarové absolutní kalibraci lze dosáhnout přesnosti lepší než +/- 0,1°C, což je při rozlišení přístroje 1°C více než postačující.

SCHÉMA ZAPOJENÍ
Schéma zapojení a rovněž i konstrukční provedení jsou velmi jednoduché. Srdcem celého zařízení je mikrokontrolér PIC16F73 firmy Microchip. K jeho portům RC,3 a RC,4 je prostřednictvím standardní sériové sběrnice I2C připojen teplotní senzor TMP100 firmy Texas Instruments. R9 a R10 jsou tzv. pull-up rezistory pro správnou funkci této sběrnice. K portům RB jsou připojeny paralelně dva sedmisegmentové LED displeje. Zapojení vývodů je optimalizováno z hlediska co možná nejjednoduššího návrhu jednostranné desky plošných spojů a následně upraveno v programu mikrokontroléru. Pomocí pinů RA,2 a RA,5 a bipolárních tranzistorů T1 a T2 je realizováno multiplexní řízení LED displejů. Tyto tranzistory jsou v zapojení se společným kolektorem. LED displej odebírá při svitu všech segmentů („8.“) přibližně 160 mA, takže je zde proudové posílení výstupů mikrokontroléru nutné. Port RC,6 ovládá výstupní bipolární tranzistor, který spíná externí ventilátor. Výstup pro ventilátor je řešen jako tzv. výstup s otevřeným kolektorem, což umožňuje připojení ventilátoru na vyšší napětí než je napájecí napětí tohoto zařízení. Předpokládá se tedy připojení ventilátoru s nominálním napájecím napětím 12 nebo 24 V a maximálním proudovým odběrem 500 mA. Hodinová frekvence pro mikrokontroler je vytvářena interním oscilátorem, jehož časovou RC konstantu tvoří rezistor R8 spolu s kondenzátorem C1. Napájecí napětí pro mikrokontrolér, LED displeje a teplotní čidlo je zajištěno běžným stabilizátorem napětí 7805. V případě napájení stejnosměrným napětím slouží dioda D1 k ochraně proti záměně polarity tohoto napětí a v případě napájení střídavým napětím realizuje spolu s kondenzátorem C4 jednocestný usměrňovač. Schéma naleznete na obrázku Obr. 2.
www.elweb.cz

www.elweb.cz
PROGRAM MIKROKONTROLÉRU A JEHO FUNKCE
Program jsem vytvořil ve vývojovém prostředí Microchip MPLAB IDE v8.10 v jazyce assembler. Program komunikuje s teplotním čidlem prostřednictvím již zmíněné I2C sériové sběrnice. Po přečtení hodnoty teploty z čidla ji z binárního tvaru převede na dekadický a zobrazí na LED displeji. Zobrazení probíhá multiplexovaně. To znamená, že svítí vždy jen jeden LED displej. Svit LED displejů je cyklicky přepínán s frekvencí přibližně 100 Hz tak, aby toto blikání nebylo lidské oko schopné postřehnout. Pokud přesáhne hodnota naměřené teploty 30°C spustí se pomalu ventilátor. Pomocí pulsně-šířkové modulace je regulován příkon (a tím i otáčky) ventilátoru zatím na 10% maxima. Pokud se hodnota teploty naměřené teplotním senzorem stále zvyšuje, spustí se ventilátor na 20%. Toto zvyšování otáček ventilátoru probíhá stále, dokud trvá zvyšování teploty. Jakmile začne hodnota teploty klesat, začnou se snižovat i otáčky ventilátoru. Díky softwarové hysterezi se systém poměrně rychle ustálí a teplota chladiče se zůstane na optimální hodnotě. Tato hodnota je dána kompromisem mezi hlukem ventilátoru a samotnou teplotou. KONSTRUKCE Zařízení je poměrně malé, aby jej bylo možné snadno vestavět do většiny přístrojů. Rozměry desky plošných spojů jsou 20 x 80 mm a shodují se tedy s rozměry boční stěny běžného ventilátoru 80 x 80 mm. I přes miniaturní rozměry je díky použití klasických součástek v kombinaci se součástkami pro povrchovou montáž vše umístěno na jednostranné desce plošných spojů bez drátových propojek. Deska plošných spojů byla navržena v programu Eagle 4.16 a naleznete ji na obrázku Obr. 2.
www.elweb.cz

www.elweb.cz

www.elweb.cz

www.elweb.cz

www.elweb.cz

www.elweb.cz
Montáž teplotního senzoru k chladiči je znázorněna na následujících fotografiích. Pro lepší tepelný kontakt je použita silikonová vazelína. Šrouby příliš neutahujte, abyste senzor mechanicky nepoškodili.
www.elweb.cz

www.elweb.cz

www.elweb.cz

www.elweb.cz


obrázek/schéma ve formátu gif
obrázek/schéma ve formátu gif
obrázek/schéma ve formátu gif
obrázek/schéma ve formátu gif
obrázek/schéma ve formátu gif
fotografie/obrázek ve formátu jpg
fotografie/obrázek ve formátu jpg
fotografie/obrázek ve formátu jpg
program pro mikrokontrolér ve formátu hex (stažení: pravé tlačítko > uložit cíl jako)program pro mikrokontrolér ve formátu asm (stažení: pravé tlačítko > uložit cíl jako)