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ENCICLOPEDIA DELLA RADIOELETTRONICA ED ELETTRICA Controllo proporzionale della ventola di raffreddamento del motore di un'auto. Enciclopedia dell'elettronica radio e dell'ingegneria elettrica
Enciclopedia della radioelettronica e dell'elettrotecnica / Automobile. Dispositivi elettronici Il dispositivo proposto ci consente di passare dal principio del relè di controllo della ventola del sistema di raffreddamento del motore "temperatura sopra il normale - acceso, sotto il normale - spento" a, secondo l'opinione dell'autore, un controllo proporzionale più favorevole per il motore. Ora, all'aumentare della temperatura del liquido di raffreddamento, la velocità del rotore della ventola aumenta in modo lineare. Oggi, in molti motori automobilistici, la ventola di raffreddamento è azionata elettricamente, ma nella maggior parte dei casi è controllata tramite il principio di un relè. Tale controllo ha un solo vantaggio: la facilità di implementazione. È sufficiente disporre di un sensore di temperatura con uscita a contatto che controlli il motore del ventilatore direttamente o tramite un relè intermedio. Lo svantaggio principale di questo metodo è una forte diminuzione della temperatura del liquido di raffreddamento all'uscita del radiatore dopo l'accensione della ventola. Una ventola funzionante a piena potenza riduce la temperatura del liquido refrigerante all'uscita del radiatore di 15...25 оC e altro ancora. Entrando nella camicia di raffreddamento del motore, il liquido notevolmente raffreddato provoca uno shock termico sulle superfici calde, che influisce negativamente sul funzionamento del motore. Per un funzionamento confortevole, si consiglia di mantenere la temperatura del liquido di raffreddamento vicino a quella ottimale consigliata dal produttore e in linea di principio dovrebbero essere esclusi sbalzi di temperatura improvvisi (shock termici). Su alcuni veicoli dotati di ventola di raffreddamento azionata meccanicamente, ciò si ottiene collegando la ventola all'albero motore tramite un giunto viscoelastico. Modifica la coppia trasmessa all'albero del ventilatore in base alla temperatura del liquido di raffreddamento. Questo stabilizza la temperatura. Il dispositivo proposto è un analogo elettronico di un giunto viscoso per un ventilatore azionato elettricamente. Regola automaticamente la velocità di rotazione in base alla temperatura del liquido di raffreddamento. Il dispositivo funziona dall'impianto elettrico del veicolo con una tensione di 10...18 V e può controllare una ventola con un consumo di corrente massimo fino a 20 A o fino a 30 A, soggetto ad un aumento dell'area del dissipatore di calore di gli elementi di potere. Il consumo di corrente del dispositivo non supera diversi milliampere. I valori di temperatura per l'accensione della ventola con velocità di rotazione minima e la temperatura alla quale la velocità di rotazione della ventola raggiunge il massimo sono impostati con incrementi di 0,1 оC durante la programmazione di un microcontrollore. Se il sensore della temperatura del liquido di raffreddamento si guasta, il dispositivo entra in modalità di emergenza, consentendo al motore di raggiungere in sicurezza un'officina di riparazione. Lo schema del dispositivo è mostrato in Fig. 1. Il sensore digitale DS18B20 (BK1) misura la temperatura. L'uso di questo sensore elimina la necessità di calibrare il dispositivo prodotto e ne migliora la ripetibilità.
Le informazioni sulla temperatura vengono lette dal sensore dal microcontrollore ATtiny2313A-PU (DD1), che è sincronizzato da impulsi da 1 MHz provenienti da un oscillatore RC interno. Proporzionalmente alla temperatura regola la tensione di alimentazione del motore del ventilatore e, di conseguenza, la velocità del suo rotore. Il motore viene alimentato con una tensione impulsiva, la cui componente costante, che determina la velocità di rotazione, dipende dal ciclo di lavoro (il rapporto tra la durata degli impulsi e il loro periodo di ripetizione). Il programma imposta il fattore di riempimento con numeri binari a otto bit caricati nel registro di confronto del microcontrollore che funziona in modalità timer PWM. Gli impulsi generati dal microcontrollore controllano il funzionamento dell'interruttore di alimentazione sul transistor ad effetto di campo VT1, che chiude e apre il circuito di alimentazione del motore del ventilatore dalla rete di bordo del veicolo. In questo caso la componente costante della tensione applicata al motore è pari a U = U0 (N/255), dove U0 - tensione nella rete di bordo, V; N è un numero caricato nel registro del microcontrollore. Può essere modificato nei passi ΔU = U0 / 255. Quando la tensione nella rete di bordo è 12 V, ΔU≈0,05 V, ciò consente di regolare la velocità della ventola in modo quasi fluido. Per garantire un funzionamento affidabile del transistor chiave VT1 nelle modalità transitorie, il microcontrollore lo controlla tramite il driver TC4420EPA (DA1). I moderni transistor ad effetto di campo, dotati di una resistenza a canale aperto molto bassa (unità di milliohm), sono in grado di commutare una corrente significativa anche senza l'uso di un dissipatore di calore. Tuttavia, la grande capacità di ingresso del transistor ad effetto di campo, che raggiunge diverse migliaia di picofarad per dispositivi potenti, viene caricata e scaricata durante la commutazione. Ciò richiede più tempo, maggiore è la resistenza di uscita della sorgente del segnale di controllo. La cosa brutta è che durante il processo di ricarica della capacità, il transistor ad effetto di campo è in modalità attiva e la resistenza del suo canale è piuttosto elevata. Pertanto, durante il tempo di commutazione, nel cristallo del transistor viene rilasciata una potenza significativa, che può portare a surriscaldamento e danni irreversibili. L’unico modo per combattere questo fenomeno è accelerare il processo di ricarica. Per fare ciò, i transistor ad effetto di campo sono controllati tramite amplificatori specializzati (driver) che hanno una bassa resistenza di uscita e forniscono una corrente di carica-scarica pulsata di grandi dimensioni (fino a diversi ampere). Ciò garantisce una rapida ricarica della capacità di ingresso del transistor ad effetto di campo e, quindi, minimizza la durata del suo funzionamento in modalità attiva e riduce la potenza dissipata su di esso. Il resistore R4 mantiene un livello di tensione logica bassa all'ingresso del driver durante l'avvio del microcontrollore, mentre tutte le sue uscite rimangono in uno stato di alta impedenza. Ciò elimina l'apertura non necessaria del transistor VT1 in questo momento. Il diodo VD1 elimina gli impulsi EMF autoindotti che si verificano negli avvolgimenti del motore del ventilatore quando il transistor VT1 si chiude. Durante il funzionamento, il programma del microcontrollore monitora costantemente la presenza e la funzionalità del sensore di temperatura. Se non c'è connessione con esso, entra in modalità di emergenza. In questa modalità, indipendentemente dalla temperatura del liquido di raffreddamento, la ventola verrà accesa alla massima potenza per 33 secondi e poi spenta per lo stesso tempo. Naturalmente, questa non è l'opzione ottimale per raffreddare il motore, ma impedisce il guasto completo del motore in assenza di raffreddamento. Il passaggio alla modalità emergenza è segnalato dall'inserimento del led HL1. Se la connessione con il sensore è stata temporaneamente interrotta, una volta ripristinata il dispositivo ritorna al normale funzionamento. Il programma del microcontrollore per il controllo della ventola contiene i seguenti dati iniziali come costanti: - Tverbale = 87 - temperatura del liquido di raffreddamento, оC, alla quale il ventilatore dovrebbe iniziare a funzionare alla velocità minima; Come è noto, i sensori industriali progettati per controllare il funzionamento delle ventole di raffreddamento hanno due parametri principali: temperatura di accensione e temperatura di spegnimento. Dovrebbero essere scelti come Tmax e Tverbale. Il valore di N1 deve essere impostato in modo tale che la componente continua della tensione sul motore del ventilatore sia uguale alla sua tensione di avviamento Uтр. Il problema è che la tensione di avviamento solitamente non è indicata nei dati tecnici dei ventilatori, quindi l'autore non è riuscito a trovare il valore di questo parametro in letteratura o documentazione. Doveva essere determinato sperimentalmente. La tecnica è semplice: applicando tensione al motore, trova il suo valore al quale l'albero inizia a ruotare lentamente (rivoluzione in uno o due secondi), ma in modo costante. Per la maggior parte dei motori CC con una tensione di alimentazione nominale di 12 V, la tensione di avviamento è compresa tra 3 e 5 V. All'avvio del programma, il microcontrollore, in base ai valori di TmaxTverbale e N1 calcola Dn - la pendenza richiesta della dipendenza del valore del registro di confronto del timer del codice caricato dalla temperatura: Dn = (255 - N1)/(Tmax - Tverbale). Quindi inizia il ciclo principale del programma. Innanzitutto viene controllata la connessione con il sensore di temperatura e, se non c'è connessione, passa alla modalità di emergenza. Il programma esegue questo controllo ogni secondo. Se dal controllo successivo risulta che il sensore funziona, viene ripristinato il normale funzionamento. Quando il sensore è in funzione, misura la temperatura attuale del liquido di raffreddamento T. Se è inferiore a Tverbale, il programma spegne la ventola, altrimenti calcola il valore richiesto del codice di controllo utilizzando la formula N = (T-Tverbale) Dn+N1. Il ciclo di lavoro della tensione che alimenta il motore e, di conseguenza, la velocità di rotazione del suo rotore sarà proporzionale ad esso. Di conseguenza, la temperatura del liquido di raffreddamento viene mantenuta costante con un carico motore costante. Sotto carico variabile, la temperatura oscilla entro piccoli limiti all'interno dell'intervallo Tverbale...Tmax. Tutte le parti del dispositivo, ad eccezione del sensore BK1 e del LED HL1, sono posizionate su un circuito stampato di dimensioni 58x65 mm, il cui disegno è mostrato in Fig. 2, e la disposizione degli elementi è in Fig. 3.
I microcircuiti sono saldati direttamente nella scheda senza pannelli, il cui utilizzo in condizioni di elevate vibrazioni è indesiderabile. La scheda dispone di contatti SCK, RST, VCC, MISO, MOSI, GND, non mostrati nello schema, ai quali vengono saldati i fili con lo stesso nome del programmatore durante la programmazione del microcontrollore. In questo caso, la scheda e il programmatore devono essere alimentati con +5 V (VCC) dalla stessa fonte durante la programmazione. La scheda è progettata per accettare resistori e condensatori di dimensione 1206 per il montaggio su superficie. Diodo SR2040 (URL: files.rct.ru/pdf/diode/5261755198365.pdf) - in un pacchetto TO220AC a due terminali. Insieme al transistor IRF3808 viene montato tramite pasta termicamente conduttiva su un comune dissipatore con superficie di raffreddamento di circa 60 cm2. Il principio di collegamento del transistor 5 o del diodo al dissipatore di calore 1 e dell'intero assieme al circuito stampato 2 è mostrato in Fig. 4. Il diodo è isolato dal dissipatore di calore con un distanziatore in mica e dalla vite di fissaggio 4 e dal manicotto metallico 3 - con un manicotto isolante (gli elementi isolanti non sono mostrati nella figura). Tra l'alloggiamento del diodo e quello del transistor è presente un terzo punto di attacco del dissipatore di calore alla scheda. Anche qui è fissato con una vite e una boccola.
Tutti i conduttori stampati della scheda dove scorre la corrente del motore del ventilatore devono essere ricoperti da uno strato di saldatura di spessore almeno 0,7...1 mm e la sezione dei cavi di alimentazione deve garantire il passaggio di questa corrente . Si consiglia di posizionare il LED HL1 all'interno dell'auto in modo che il conducente abbia informazioni operative sulla modalità operativa attuale del dispositivo. Il sensore DS18B20 (BK1) deve essere posizionato nell'alloggiamento del sensore di temperatura del liquido di raffreddamento a contatto standard, dal quale è necessario prima rimuovere tutto il "ripieno". Tale corpo può anche essere tornito in ottone mantenendo le dimensioni complessive e di collegamento. Il posizionamento del sensore DS18B20 nell'alloggiamento è mostrato in Fig. 5. Il sensore 4 con il connettore 1 saldato ai terminali viene posizionato nella cavità dell'alloggiamento 3 in modo che la sua parte superiore, su cui è applicato uno strato di pasta termoconduttiva 5, tocchi il fondo della cavità.
Successivamente, la cavità viene riempita con un sigillante resistente al calore. Il connettore 1 deve avere un rivestimento anticorrosivo per i contatti, essere resistente agli spruzzi d'acqua e fissare in modo affidabile la parte di accoppiamento, impedendone il distacco sotto l'influenza delle vibrazioni. Il sensore predisposto viene installato al posto di quello standard. La scheda assemblata viene collocata in una custodia di dimensioni adeguate, che si trova nel vano motore dell'auto. L'alloggiamento è dotato di fori di ventilazione. Il microcontrollore ATtiny2313A può essere sostituito da un'altra famiglia di AVR che abbia almeno un timer a 8 bit e uno a 16 bit e almeno 2 KB di memoria di programma. Naturalmente, la sostituzione del microcontrollore richiederà la ricompilazione del programma ed eventualmente la modifica della topologia del circuito stampato. Invece del driver low-side non invertente TC4420EPA, è possibile utilizzarne un altro simile, ad esempio MAX4420EPA. Il diodo barriera Schottky SR2040 può essere sostituito con uno simile con una tensione inversa consentita di almeno 25 V e una corrente diretta consentita pari almeno alla corrente operativa della ventola. Tuttavia, i diodi Schottky con una tensione inversa superiore a 40 V non sono consigliati, poiché una maggiore caduta di tensione diretta su tale diodo porterà ad un aumento della generazione di calore. È necessario selezionare un sostituto del transistor ad effetto di campo IRF3808 con gate isolato e canale di tipo n con una corrente di drain costante consentita a una temperatura di 100 °C 2,5...3 volte la corrente operativa della ventola e con un canale aperto resistenza alla corrente operativa del ventilatore fino a 20 A - non più di 10 mOhm e 20...30 A - non più di 7 mOhm. La tensione drain-source consentita deve essere di almeno 25 V, mentre la tensione gate-source deve essere di almeno 20 V. Un dispositivo correttamente assemblato da parti riparabili richiederà una regolazione solo se i dati iniziali nella versione allegata del programma, menzionata in precedenza, non corrispondono a quelli richiesti. In questo caso è necessario correggerli nel testo sorgente del programma, ricompilarli nell'ambiente di sviluppo Bascom AVR e caricarli nella memoria del microcontrollore al posto del file Cooler-test.hex allegato all'articolo, il file HEX risultante. Se la tensione iniziale del motore del ventilatore non è nota, può essere determinata sperimentalmente. Per fare questo, invece del programma di lavoro, devi caricare nella memoria del microcontrollore il programma di debug che ho sviluppato. Il file Cooler-test.hex allegato all'articolo contiene i suoi codici. La configurazione del microcontrollore è programmata allo stesso modo per i programmi di lavoro e di test secondo la Fig. 6, che mostra la finestra di configurazione per il programmatore AVRISP mkII.
3 secondi dopo l'accensione, il programma Cooler-test inizia a controllare la ventola, aumentando gradualmente da 55 a 95 in passi di 5 unità il codice che imposta il duty cycle della tensione impulsiva che alimenta la ventola. Ciò corrisponde all'incirca a una variazione della componente continua di questa tensione da tre a cinque volt. La durata di ciascuna fase è di 10 s, durante i quali la ventola e il LED HL1 sono accesi, ed una pausa di 5 s, durante la quale viene tolta tensione alla ventola e il LED è spento. La fine del programma è segnalata da una serie di cinque brevi lampeggi del LED. Osservando il LED, è facile determinare in quale fase la ventola ha iniziato a ruotare e determinare il valore di N1, che dovrebbe essere scritto nel programma principale. Il funzionamento del dispositivo in modalità di emergenza viene verificato scollegando il connettore dal sensore di temperatura. In questo caso, la ventola dovrebbe accendersi e funzionare a piena potenza in modalità intermittente (33 s - lavoro, 33 s - pausa). Il LED HL1 dovrebbe accendersi. La luminosità desiderata viene impostata selezionando il resistore R3. I programmi del microcontrollore possono essere scaricati da ftp://ftp.radio.ru/pub/2016/11/fan.zip. Autore: A. Savchenko, pos. Zelenogradsky, regione di Mosca
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Commenti sull'articolo: viktor Con un cortocircuito, non si spegnerà: il cablaggio si brucerà. funziona sotto carico leggero. Leonid Non capisci qual è il punto? il tiristore può effettivamente attivare e disattivare la massa. Ma quando installi il diodo, è la terra, rimane acceso. e affinché funzioni, è necessario aggiungere un relè che collegherà un diodo al sistema e applicherà tensione all'elettrodo di controllo. Forse non capisco qualcosa, chi è più alfabetizzato - spiega ospite Leonide! Il diodo fa passare la corrente in una direzione, ad es. dal generatore alla batteria.
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