Самое классное устройство для охлаждения усилителей!Имеет три режима: вентилятор выключен на малой громкости при «холодных» радиаторах. При невысокой температуре (средняя громкость) скорость вращения мала и шума нет. При высокой температуре сам увеличивает скорость вращения для наилучшего охлаждения.

Статья опубликована в журнале «Радио» №6 за 2009 год.

В настоящее время выходная мощность усилителей и ресиверов достигает сотен ватт, а число каналов – пяти-семи. Это приводит к значительному выделению тепла выходными каскадами, поэтому все большую популярность приобретает активное охлаждение усилительных устройств. Обдув радиаторов вентиляторами давно стал нормой в профессиональной аппаратуре, однако для бытовой техники он имеет и ряд недостатков:

• повышенный уровень шума в паузах и на малой громкости;
• запыление радиаторов и устройства в целом, что приводит к ухудшению теплоотдачи;
• запыление самого вентилятора ускоряет его износ и снижает срок службы, а отказ вентилятора приводит к выходу усилителя из строя вследствие перегрева.

Поэтому оптимальным представляется следующее решение: пассивного охлаждения должно быть достаточно для работы усилительного устройства на холостом ходе и на небольшой громкости, когда нагрев выходных транзисторов (работающих в классе АВ или В) невысок. При дальнейшем повышении выходной мощности, включается вентилятор. Плюсы тут очевидны: отсутствует лишний шум, уменьшается запыление усилителя, повышается ресурс вентилятора, усилитель не повреждается при отказе вентилятора (при работе на холостом ходу и на небольшой громкости).

Существуют разные способы управления вентилятором системы охлаждения. В промышленных ресиверах вентилятор обычно включается при установке регулятора громкости в положение, близкое к максимуму. В любительской практике находят применение схемы, включающие вентилятор при большом уровне сигнала. По мнению автора, все подобные системы имеют один принципиальный недостаток – информация о нагреве устройства носит косвенный характер. При большом уровне входного сигнала высокая выходная мощность достигается даже при положении регулятора громкости далеком от максимума. А вентилятор при этом не включается. Или другой пример: эксплуатация усилителя в жарком климате, либо установка его в такое место, где затруднена естественная циркуляция воздуха (в нишу) приведет к тому, что он перегреется и при низком уровне выходного сигнала.

Наилучший вариант – использовать датчик температуры, и управлять вентилятором непосредственно от температуры радиатора выходных транзисторов. В этом случае охлаждение производится именно тогда, когда оно необходимо, вне зависимости от причин, вызвавших перегрев. Кроме того, информация о перегреве, снимаемая с датчика температуры, может быть использована для управления системой защитного отключения («спасающей жизнь» усилителю) и соответствующей индикации.

Предлагаемое устройство управления вентилятором охлаждения аппаратуры имеет простую конструкцию, не содержит дефицитных деталей и не требовательно к питанию, обеспечивая при этом интеллектуальное многоступенчатое охлаждение. Принцип его работы иллюстрирует рисунок 1.

При небольшой рассеиваемой мощности напряжение на вентиляторе равно нулю. С ростом мощности температура радиатора растет, и когда она достигает 40 градусов, вентилятор включается. Напряжение на нем составляет 6 вольт, скорость вращения небольшая, и вентилятор не производит шума. Однако эффективность охлаждения заметно возрастает. При мощности порядка 9…12 Вт, эффективность активного охлаждения настолько высока, что через одну-две минуты температура опускается ниже 35 градусов, что вызывает выключение вентилятора. В системе специально предусмотрен гистерезис 5…7 градусов, для того, чтобы снизить частоту включений-выключений вентилятора и диапазон мощностей, когда происходит такое «широтно-импульсное» управление, особенно при неудачном расположении термодатчика. Начиная с мощности 12…15 Вт, вентилятор работает непрерывно (благодаря наличию гистерезиса), при этом температура радиатора оказывается ниже, чем при мощности 8…9 Вт.

Такой «бесшумный» режим работы сохраняется до значения мощности 40 Вт, когда температура радиатора повышается до 50 градусов. При дальнейшем росте рассеиваемой мощности, напряжение на вентиляторе начинает плавно повышаться, и эффективность охлаждения еще больше увеличивается. В результате, в диапазоне мощностей 40…70 Вт температура изменяется от 50 до примерно 53 градусов. Шум работающего вентилятора также возрастает, однако такая ситуация соответствует работе усилителя с большой громкостью, и шум вентилятора не заметен на фоне громкого звука. Причем большинство вентиляторов начинает «громко шуметь» при напряжении питания, превышающем 9 вольт, что соответствует рассеиваемой мощности прядка 60 Вт. При температуре больше 55 градусов напряжение на вентиляторе максимально и охлаждение производится наиболее интенсивно, уровень шума при этом несущественен – речь идет о сохранении работоспособности усилителя.

Пунктирные линии на графике показывают, как изменялась бы температура, если бы не происходило включение следующей ступени охлаждения. Если принять максимально допустимой температурой радиатора значение 60 градусов, то при естественном охлаждении предельная рассеиваемая мощность была бы равна 20 Вт, а при низкоскоростном активном охлаждении – 65 Вт. При непрерывной работе вентилятора можно было бы получить те же самые максимальные 90…95 Вт, но это сопровождалось бы значительным шумом на малой громкости, тогда как в предлагаемом устройстве шум вообще отсутствует до значения мощности примерно 40…50 Вт, и незначителен до 55…60 Вт.

График на рис.1, получен на макете устройства при использовании радиатора площадью 200см2 и вентилятора размером 60х60 мм. Значения температур включения ступеней охлаждения выбраны достаточно произвольно.

Схема устройства приведена на рисунке 2. В качестве термодатчика используется терморезистор с отрицательным ТКС (термистор) R1, который совместно с резистором R2 образует делитель напряжения. Напряжение с делителя – пропорциональное температуре – подается на триггер Шмитта на транзисторах VT1,VT2. При повышении входного напряжения триггер включается, при этом полевой транзистор VT3 (закрытый в исходном состоянии) открывается и подает напряжение на двигатель вентилятора М1. Поскольку последовательно с двигателем включен мощный стабилитрон VD1, напряжение на вентиляторе меньше напряжения питания на величину напряжения стабилизации стабилитрона. Вентилятор работает на малых оборотах. При дальнейшем росте температуры, напряжение делителя также растет, и при некотором его значении открывается транзистор VT4. Этот транзистор шунтирует цепочку VT3-VD1, и напряжение на вентиляторе повышается. Поскольку в качестве VT4 используется «вертикальный» транзистор, то диапазон входных напряжений, при котором VT4 переходит из закрытого состояния в открытое, небольшой и увеличение скорости вращения вентилятора до максимума происходит при небольшом изменении температуры.

Конденсатор С1 форсирует запуск двигателя вентилятора при включении его на пониженном напряжении. Это позволяет надежно запускать вентилятор даже при его износе и запылении, когда момент трения на валу повышен, что повышает надежность системы охлаждения. Конденсатор С2 снижает пульсации напряжения на вентиляторе при регулировании напряжения. Если устройство питается от отдельного самостоятельного источника, то С2 можно исключить.

Подстроечными резисторами R3 и R9 устанавливают пороги срабатывания ступеней охлаждения. Светодиод HL1 – индикатор, причем его яркость сигнализирует о напряжении на вентиляторе, а, следовательно, и о температуре. При желании получить больше информации, узел индикации можно усложнить, применив, например, два светодиода с разным цветом свечения.

Если необходимо контролировать температуру нескольких радиаторов, то можно использовать несколько однотипных термисторов, включенных параллельно (пропорционально уменьшив сопротивление R2). При этом, вследствие нелинейности температурной характеристики, система будет в большей степени реагировать на наиболее горячий объект, что повысит надежность устройства в целом.

Схему можно питать и от источника с меньшим напряжением, но при этом снизится максимальная эффективность охлаждения.

Конструкция и детали.

Биполярные транзисторы – любые маломощные с коэффициентом h21Э не менее 150, например, КТ3102 (я использовал импортные ВС546В). Полевые транзисторы – любые средней мощности. Из отечественных подойдут КП740-КП743. Можно использовать и маломощные КП505А-В, однако ток вентилятора в этом случае не должен превышать 150 мА. Из импортных подойдут практически все транзисторы серий IRF5хх, IRF 6хх. Стабилитрон VD1 должен выдерживать ток вентилятора, который при пониженном напряжении питания составляет 40…50% от номинального (а это порядка 50…150 мА). Напряжение стабилизации выбирается таким образом, чтобы напряжение на двигателе составляло 5…6 вольт (т.е. 6…10 вольт). При более низком напряжении не все вентиляторы устойчиво работают, более высокое напряжение увеличит уровень шума. Если не удастся подобрать подходящий стабилитрон, можно воспользоваться его аналогом (рис.3).

Большое разнообразие термисторов не позволяет указать какой-то конкретный тип. Подойдут практически все в интервале сопротивлений 1…68 кОм. Если сопротивление термистора превышает 20 кОм, то при подборе R2 следует учесть его шунтирование резисторами R3 и R9.

Поскольку основным для усилителя все же является пассивное охлаждение, то следует использовать «конвекционные» (обыкновенные) радиаторы с редкими толстыми ребрами. Вентилятор – корпусной вентилятор подходящего размера от компьютера. Процессорные вентиляторы использовать не рекомендуется, несмотря на их больший воздушный поток – они более шумные. Термистор необходимо установить так, чтобы обеспечивался хороший тепловой контакт с радиатором (с использованием термопасты), и на него не попадал воздушный поток от вентилятора.

Поскольку температура внутри корпуса усилителя может достигать 40…50 градусов, возможна установка дополнительного вентилятора, выдувающего воздух из корпуса. Все вентиляторы включаются параллельно.

Устройство собрано на печатной плате размером 55х30 мм. Добиваться еще большей миниатюрности, используя SMD компоненты, я считаю нецелесообразным – раз используются сравнительно крупногабаритные элементы – радиаторы, то свободное место для устройства управления вентилятором в усилителе найдется. Печатная плата показана на рис. 4 (вид со стороны установки деталей). Красным цветом показан мощный стабилитрон VD1, а светло-зеленым — его аналог на маломощном стабилитроне и транзисторе. Ставится либо одно, либо другое.

Синим цветом обозначены изолированные проводники, припаянные со стороны дорожек:

Налаживание устройства необходимо, вследствие большого разнообразия термисторов. Оно сводится к подбору резистора R2 и установки порогов срабатывания резисторами R3, R9. Для этого задаются значениями температур включения ступеней устройства (на рис.1 это 40 и 50 градусов) и определяют сопротивление термистора на этих двух температурах. Проще всего определить сопротивление, поместив термистор в стакан с водой требуемой температуры. Допустим, получились значения R1_1 и R1_2. Резистор R2 должен иметь такое сопротивление, чтобы напряжение делителя при включении первой ступени было порядка 2,5 вольт:

После установки R2 соответствующего номинала, вместо термистора подключают переменный резистор с установленным сопротивлением, равным R1_1 и при помощи R3 добиваются включения вентилятора (настраивается именно момент включения, для отключения вентилятора, вследствие гистерезиса, необходимо отключать «термистор»). Аналогично, при помощи R9 добиваются увеличения напряжения на вентиляторе при подключении вместо термистора сопротивления величиной равной R1_2.

Внимание!

Иногда возникает проблема, вроде этой:

«Первая ступень охлаждения выставляется нормально. Вторая — не настраивается. В крайней точке подстроечного резистора R9 напряжение на вентиляторе достигает лишь 3,3 В (при отключенной первой ступени подстроечником R3).»

Скорее всего, причина в сильном различии параметров термисторов разных типов: у некоторых при увеличении температуры сопротивление падает очень сильно, а у некоторых – не очень сильно. При повышении температуры сопротивление термистора уменьшается, а напряжение в точке соединения R1, R2, R3 растет. Когда напряжение в этой точке достигает порога срабатывания одной из ступеней, ступень срабатывает и включается. Для срабатывания триггера Шмитта требуется примерно 2,5 вольта, а для открывания полевого транзистора VT4 – порядка 4…5 вольт (см. типовую передаточную характеристику транзистора IRF630 на рис. 6). Если сопротивление терморезистора падает не сильно, то напряжение на затворе полевого транзистора не достигает требуемой величины, и он не открывается.

В этом случае настройку надо проводить «наоборот»: подбирать резистор R2 таким, чтобы надежно срабатывала вторая ступень управления. Для этого R3 выводят на минимум (движок в нижнем по схеме положении), а R9 на максимум (движок в верхнем по схеме положении). Вместо термистора подключают резистор с сопротивлением, равным сопротивлению термистора при максимальной температуре и подбирают R2 так, чтобы напряжение на вентиляторе было максимальным — примерно равно напряжению питания (можно контролировать напряжение в точке соединения R1, R2, R3, оно должно быть порядка 4…5 вольт). Значение R2 округляют до ближайшего большего. После этого потенциометром R3 устанавливают требуемый порог срабатывания первой ступени. Учтите, что конденсатор С1 создает небольшую задержку во времени, поэтому давайте напряжению установиться примерно 1…2 секунды.

Хорошо бы перед сборкой схемы посмотреть справочные данные полевого транзистора – он должен открываться (ток стока примерно 100 мА) при напряжении на затворе не менее 3 и не более 6 вольт:

Вот фото прототипа (с транзистором вместо мощного стабилитрона). На самом деле, плату можно и уменьшить. Наверное я когда-нибудь это сделаю…

На самом деле систему можно упростить, использовав специализированный датчик температуры и микроконтроллер (либо специализированную микросхему), но ИМХО она станет не такой доступной для широкого круга радиолюбителей.

Скачать плату в формате Sprint Layout 4.0 

01.09.2009