microcontroller.it - Progetti - Variare velocità ventola 4 fili

Può essere necessario regolare la velocità delle ventole a due e tre fili per PC , principalmente per ridurne il rumore. Un controllo PWM di queste ventole non è per nulla indicato (data la loro particolare tecnica costruttiva), anche perchè rischia di aumentare, invece che diminuire, il rumore prodotto.
Usando un PWM, inoltre, si avrebbe la corrente pulsante di alimentazione per tutta la lunghezza del cavo di connessione tra ventola e scheda madre, con un evidente aumento dei disturbi elettromagnetici indotti all' intorno.

L'unica via percorribile è quella di variare la tensione di alimentazione, che potrà oscillare tra metà e il massimo valore nominale. Però, a tensione bassa, con la velocità diminuisce anche la potenza, ovvero la possibilità di muovere aria. Al di sotto di metà tensione, poi, è molto probabile che la ventola si arresti. Inoltre, dato che la regolazione si effettua con facilità con un transistor in serie, non sarà possibile raggiungere la tensione nominale data la cdt introdotta dalla giunzione.

Per superare questi problemi, da un certo tempo sono state introdotte ventole a 4 fili, che implementano un controllo di velocità PWM interno alla ventola stessa.
La loro struttura è la seguente:

- sulla scheda madre è installato un integrato dedicato che funge da controller della ventola attraverso un segnale PWM
- la ventola fornisce al controller sulla scheda madre il segnale tacho proporzionale alla velocità di rotazione
- il controller rileva il segnale tacho e risponde inviando alla ventola un PWM secondo una curva impostata, in funzione della temperatura
- questo segnale PWM viene elaborato dall' integrato a bordo della ventola e trasformato nella sequenza di impulsi necessari al comando del motore.

In sostanza, il segnale PWM va ad influenzare direttamente il sistema di controllo integrato nella ventola ed è questo a far variare la velocità.
In questo modo non si deve modificare la tensione di alimentazione (con i problemi precedentemente indicati), nè tanto meno si deve modularla con un PWM, cose che richiederebbero un elemento di potenza per la corrente necessaria alla ventola.

Inoltre, l'azione diretta sul controller della ventola consente una regolazione di velocità fluida e senza aumento del rumore e impedisce fenomeni di stallo.

Dal punto di vista realizzativo resta del tutto invariata la struttura a quattro espansioni polari caratteristica di queste ventole, il che permette ai costruttori di utilizzare gran parte delle linee di montaggio esistenti, ormai ampiamente ammortizzate e quindi sorgenti di utile. Viene però sfruttato il lato componenti per inserire gli elementi necessari, forzatamente smd per la piccola superficie disponibile

A parte il numero elevato di componenti, si vede subito il "grosso" chip IC1 a più pin, che è il controller vero e proprio.

Da notare i pin più ampi ad una estremità e che servono al raffreddamento dei transistor di potenza interni che comandano la corrente al motore

IC2 è il sensore Hall.

Sulla sinistra si notano i 4 fili di collegamento con l'esterno.

Possiamo anche dare uno sguardo alla struttura logica di uno di questi integrati, realizzati appositamente per questa applicazione, ad es. BD6709 di Rhom o LP11961 di Sanyo, tanto per citarne due comuni:

Osserviamo che il motore è comandato da coppie di darlington che dipendono dal segnale PWM che viene inviato sul quarto filo; questo segnale agisce all'interno del sistema di controllo della velocità della ventola, il che consente una variazione da 0 al massimo numero di giri, senza gravi riduzioni di potenza, senza problemi di stallo a basso numero di giri e senza generare rumore dovuto all' azione di un PWM applicato in modo non sincrono alla tensione di alimentazione.
Il disturbo elettromagnetico è ridotto, dato che la commutazione avviene all'interno della ventola, negli avvolgimenti che risultano abbastanza schermati dal magnete a campana del rotore.

Il connettore unificato per le ventole PC è un Molex a 3 poli, ai quali si aggiunge il quarto del PWM.

Pin	Funzione	Colore del cavo
1	GND	Nero
2	12V	Giallo o Rosso
3	Tacho	Verde o Bianco
4	PWM	Blu

Far variare la velocità di queste ventole è estremamente semplice: basta applicare un segnale quarto filo.
Questo è un PWM a livello logico, con una frequenza nominale di 25kHz.

Questo si ottiene, ad esempio, con un semplice circuito astabile basato sul solito 555.

Il diodo D1 amplia il range del duty cycle. Dato che nella fase di carica interviene anche la tensione di conduzione di D1, è opportuno mantenerla più bassa possibile. Si possono usare benissimo diodi correnti, genere 1N4148, ma uno Schottky con bassa tensione di conduzione consente una migliore linearità. Tra l' altro, questi piccoli diodi sono comuni sulle schede SMD; l' unico problema sono le dimensioni estremamente piccole (solitamente SOD-323 e simili) che ne rendono non semplice la manipolazione.
Per componenti su foro, i piccoli diodi della serie BAS sono adeguati.

Dato che sono da considerare abbastanza leganti le resistenze R1, R2 e R3, se si vuole realizzare un variatore con duty cycle 1-99%, occorre un rapporto 100:1 tra la resistenza variabile e le altre due per ottenere un DF tra 1% e 99% e anche R1= R2 per la simmetria degli estremi del range. Limitare il range sarà in ogni caso possibile variando i valori delle resistenze.

Non è possibile eliminare nè R1, nè R2. In particolare non si può omettere la R1dato che, come abbiamo detto, con il cursore 2 tutto verso il terminale 1, si cortocircuiterebbe il pin 7 alla tensione positiva. Il valore scelto di 1K fa passare 12 mA @ 12V, il che rientra nelle possibilità del transistor. Valori minori non portano particolare vantaggio, mentre valori maggiori sono possibili. Altrettanto per la R2 che costituisce il limite del circuito di scarica. Nelle prove è stato scelto R1=R2=1K e R3=100k, in quanto valori facili da recuperare. Si possono comunque usare anche altri valori; una nota del costruttore del chip riporta che (anche se non verificato in nessuna delle prove fatte) è possibile sia necessario avere R2 > 2k7 per assicurare l' oscillazione, ad esempio R1=R2=5k e R3=500k e così via, aggiustando C1 per la frequenza voluta, che è f= 1.44 / [(R1+P1+R2)*C1].
Peraltro, R1 può assumere un valore diverso da R2 e R3 altrettanto: questo ha come solo risultato un più o meno ampio restringimento del campo di variazione del duty cycle.

La frequenza del PWM, secondo le specifiche previste per le ventole a 4 fili è di 25kHz nominali e sono adeguati valori tra 21 e 28kHz. Per ottenere una frequenza adeguata C1 sarà nel range tra 680 e 750pF.
Questo valore non è tassativo, in quanto il controller della ventola è in grado di accettare anche valori abbastanza diversi da quelli nominali; quindi, condensatori ceramici da 820pF o anche 1nF sono più che adatti.

Il segnale PWM, secondo le specifiche , deve avere un valore massimo di 5.5V. Dato che alimentiamo tutto alla tensione di 12V occorre ridurre l' uscita 3 del 555 con una rete costituita da R4 e uno zener da 1/4W da 5.1V.

La ventola a 4 fili è collegabile al relativo connettore, mentre la tensione di alimentazione è introdotta con un connettore analogo a quello usato dalla ventole a tre fili e facile da recuperare in PC usati.
Il segnale tachimetrico è riportato tra i due connettori in modo da poter essere utilizzato all'interno di un PC, collegando il connettore di alimentazione alla scheda madre.

La realizzazione è semplice, bastando il solito circuito stampato mono rame, realizzabile in casa senza difficoltà.:

Però, dati i pochi componenti usati, è possibile senza difficoltà una realizzazione su basetta millefori.

Variare la velocità di una ventola a 4 fili.

Documentazione