microcontroller.it - PIC - Low square generator

Alcuni cenni precisazioni su questi oggetti così comuni e così poco conosciuti.

Questo articolo, tratto da una serie di pagine scritte tempo fa (e, purtroppo, reperibili qua e là scopiazzate senza pudore...) per il sito Elma.it non vuole essere una descrizione esaustiva, ma soltanto una introduzione all' argomento, per precisare alcuni punti che raramente sono chiari a tutti.

Per iniziare, possiamo dire che le ventole presenti in quantità nei personal computer (da quella sul processore e sulla GPU a quelle per la circolazione dell' aria nello chassis) sono una versione di motore senza spazzole (BLDC - Brush Less DC motor), del tutto particolare ed estremamente essenziale.

All' atto della progettazione del personal computer, sono stati individuati alcuni punti fondamentali:

Queste considerazioni hanno portato alla realizzazioni delle ventole attuali, che rispondono pienamente alle richieste sopra esposte.

Prima di guardare cosa c'è nella ventola è utile fare ancora una considerazione: il motore a campo rotante di Galileo Ferraris rappresenta la forma più semplice di motore e funziona in corrente alternata.
E' costituito da due avvolgimenti posti a 90 gradi, alimentati da due tensioni alternate sfasate di 90 gradi. Esse generano sui poli un campo magnetico variabile in modo continuo da un massimo positivo ad uno negativo, seguendo la variazione sinusoidale della corrente alternata che li alimenta (ed in effetti sappiamo che la sinusoide è proprio generata da un punto su una circonferenza che ruota a velocità costante ed è, quindi, è la forma "migliore" di alimentazione per generare il campo rotante). Il flusso magnetico su una coppia polare aumenta ad un massimo e poi scende allo zero e si inverte in modo continuo, mentre quella dell' altra coppia polare fa lo stesso; ovvero il campo magnetico ruota in modo uniforme, sempre alimentato e quindi in grado di convertire costantemente energia in movimento del rotore.

Però, ottenere una corrente alternata sinusoidale non è per niente immediato nel campo dei semiconduttori, che lavorano in cc e dove è molto più semplice gestire una funzione ON/OFF piuttosto che una variazione lineare (o sinusoidale).

Ma la variazione del campo magnetico trascina in movimento il rotore anche se, invece di alimentare le bobine con una corrente variabile, le alimentiamo con una corrente impulsiva: basta solamente mantenere un sincronismo tra gli impulsi di alimentazione alle bobine e la rotazione del magnete permanente che costituisce il rotore.
E' il principio su cui si basano i motori BLDC.
Possiamo immaginare un esempio con un circolo di persone che si passano una palla al volo: uno la lancia, il successivo la riceve e la rilancia a quello dopo e così via. La palla gira nel circolo se ognuno, al giusto momento, la raccoglie e la rilancia. Così il magnete permanente viene trascinato verso un polo dell' avvolgimento di statore dall' apparire di una giusta polarità, dopo di che questa passa al polo successivo, inseguita dal rotore e così via.

Questa funzione di "far ruotare il campo magnetico" è ottenuta nelle ventole PC con una semplicissima struttura elettronica. Ed altrettanto semplice è quella meccanica.

Ecco una ventola tipica smontata nei suoi componenti principali. Si tratta di poche parti in plastica stampata.

A - La carcassa della ventola , al centro della quale é montato lo statore C ; si nota anche il cavo bipolare dell' alimentazione ed il piccolo connettore a due poli

B - la girante (in questo caso a 7 pale) con al centro l'albero e l'anello del magnete permanente montato sulla periferia

C - il nucleo fisso del motore (statore) con il circuito elettronico di controllo, realizzato su un piccolo circuito stampato rotondo, è stato smontato dalla carcassa. Si notano bene i 4 avvolgimenti realizzati con filo di rame smaltato rosso

D - anello del magnete permanente smontato dalla girante

E - tappo in materiale plastico che protegge dalla polvere il terminale dell'albero del motore

Il principio costruttivo è semplice, anzi, spartano, ma non più che tanto semplicistico, visto che il loro lavoro lo fanno bene.

Una nota: per seguire la descrizione, ci sono nel testo alcune foto, ma non più che tanto, per cui potrebbe essere veramente utile prendere in mano una vecchia ventola e provare a smontarla.
Come dice il saggio cinese: "Se ascolto dimentico, se vedo ricordo, se faccio capisco".

Ovvero, smontiamo la ventola !

Molti avranno nel cassetto una ventola da PC usata che non è ancora stata buttata via, in prospettiva di un qualche futuro utilizzo. Possiamo ora sacrificarla all' altare della scienza.
In generale, con un po' di abilità manuale, la ventola smontata può essere rimontata e funzionare alla perfezione, ma non è detto che sia possibile con tutti i modelli. In alcuni, infatti, il sistema di fissaggio dell' albero di rotazione è ben fatto e costituito da una anello Seeger, in altri, most economic, è una rondella plastica, che in alcuni formati si danneggiano allo smontaggio.
D'altro canto queste ventole NON sono realizzate per avere una manutenzione, altrimenti il costo salirebbe per la necessità di applicare soluzioni differenti; sono degli usa e getta, proprio per la loro natura di oggetto della società dei consumi (se non "si consuma", come posso essere costretto ad acquistarne una nuova ?).

Per inciso, va detto che i motori di CD/DVD e di HDD sono sempre dei BLDC, ma realizzati in modo diverso da quelli che stiamo trattando, dato che devono avere prestazioni di controllo della velocità, spunto e stabilità del tutto differenti.

Per prima cosa possiamo osservare un attimo l' etichetta del costruttore, dove è indicato solitamente il modello e a volte, come in questo caso, anche la tensione e la corrente nominali e il tipo del supporto usato (in questo caso sleevs, ovvero bronzina).

Ecco una ventola 40 mm (che è la misura del lato del quadrato della carcassa, una delle misure standard), abbondantemente usata e impolverata.

2 - togliere il tappo (se c'è), che è posto sotto l' etichetta. In questo caso il "tappo", che serve a limitare la dispersione del liquido lubrificante, non c'è ed è sostituito da un sottile adesivo di plastica di colore nero, che si vede attaccato al retro dell' etichetta e che si stacca assieme a questa.

3 - togliere il seeger o la rondella plastica che blocca l' albero.
In questo caso si tratta di una super economica ranella di nylon come si vede dall' ingrandimento. Si sfila facilmente usando delle pinzette.

L' albero è trattenuto da questa rondella; una volta tolta, l' albero è libero.

La bronzina o il cuscinetto sono inseriti a pressione nel foro centrale e si sfilano facendo pressione.
Il circuito stampato invece e solitamente fissato alla carcassa a caldo per cui è difficile se non impossibile toglierlo senza spezzare qualcosa.
Qui vediamo circuito stampato, ranella e bronzina.

Una prima differenza rispetto ad un comune motore cc è il fatto che gli avvolgimenti dello statore (C) sono sulla parte fissa (A), mentre la parte rotante (B) si trova all' esterno dello statore, ovvero l'opposto della struttura "classica" in cui il rotore è interno allo statore, e contiene magneti permanenti. Questa inversione, comune a molti motori BLDC, è dovuta alla necessità di realizzazioni piuttosto piatte, come è ben evidente nei motori dei lettori ottici o degli hard disk e semplifica la costruzione.

Il magnete permanente è un anello di materiale sinterizzato (ferrite) o plastico (magneti plastici), con due coppie di poli N e S, come pure sono due le coppie di poli dello statore (il minimo per ottenere il campo rotante...).

Quest' ultimo è realizzato su un piccolo circuito stampato circolare ed è costituito da un pacco di lamierini sagomati in modo da formare le espansioni polari poste a 90 gradi tra di loro e su cui sono avvolte le bobine.

La laminazione del nucleo, sia pure grossolana, è dovuta alla necessità di minimizzare le perdite per correnti parassite dovute al fatto che il campo magnetico è variabile e non è il caso di dissipare inutilmente la poca energia in gioco.

L' elettronica ?!

Il circuito stampato porta anche il sistema elettronico che genera il campo rotante a partire dall' alimentazione in continua a 12V.
La forma comune è questa:

Ehm..., no, non è proprio così.....................................................................

Come per tutte le buone idee, c'è solo l' essenziale e nessuna complicazione: niente step motor driver, niente controller, niente MOSFET, niente H-bridge: due transistor in TO92, due resistenze e due condensatori !
Ed il bello è che funziona anche....

FUNZIONA (!) COSI'....

Ogni espansione polare porta metà di uno degli avvolgimenti, quindi L1 e L2 sono divise in due ed avvolte su una coppia polare.
Q1 e Q2 alimentano alternativamente le due bobine:

Fin qui è facile da capire. Ma cosa fa scambiare la conduzione dei transistor ?

Il cuore del processo è costituito da un sensore di Hall a tre fili, che si trova posto tra due espansioni polari. La sua faccia sensibile rileva una polarità del magnete permanente durante la sua rotazione e cessa di condurre: la sua uscita, un open collector con una resistenza di pull up esterna, è collegata alla base di Q1. Quando il sensore è bloccato, Q1 conduce e la corrente scorre nella prima bobina.
Quando si presenta il polo successivo, il sensore conduce e manda a massa la base di Q1 che si interdice, facendo condurre Q2, la cui base è polarizzata dalla prima bobina. Con Q2 in conduzione, la prima bobina è bloccata (passa solo la minuscola corrente di base di conduzione di Q2), mentre Q2 alimenta la seconda bobina.
Dopo un altro quarto di giro si ripresenta un polo del magnete permanente che blocca il sensore di Hall, riportando in conduzione Q1.

Intanto il rotore gira e il sensore di Hall genera un nuovo impulso e così via. Geniale.

Resta da chiedersi a cosa servano gli elettrolitici, che, collegati così, lasciano perplessi.
I condensatori hanno essenzialmente una funzione "anomala", cioè quella di sostituire due diodi e proteggere i transistor dai picchi di extra tensione delle commutazioni dei carichi essenzialmente induttivi; inoltre danno "forma" agli impulsi.

Nelle foto vediamo il sensore di Hall posto nell' intervallo tra due espansioni polari.

Così, quando il rotore gira, è chiaro cosa causa lo scambio di conduzione dei transistor.

Comunque non c'è limite alla "semplificazione" (noi in Italia abbiamo anche un ministero ad hoc - alla data della stesura di queste righe). I cinesi fanno di meglio: ecco una realizzazione "ultra lite" che elimina la difficoltà di avvolgere le 4 bobine.

Ci sono sempre due coppie di espansioni polari , anche se ridotte al minimo (si notano bene quelle superiori, le altre sono poste a 90 gradi all' estremo opposto dell' avvolgimento); mentre le bobine sono avvolte sul cilindro centrale, il che richiede senz'altro meno lavoro che avvolgere sulle espansioni.
E pure questo funziona, con lo stesso schema...

Da notare la sagoma delle espansioni polari, che serve a favorire l'avvio della rotazione in una direzione precisa.

Ma come parte questo genere di motore BLDC, dato che, quando si fornisce tensione, il magnete si trova in una posizione casuale (e, sopratutto, è fermo) ?

Ci possono essere due casi:
- il sensore di Hall è aperto e in tal caso conduce Q1 e la corrente attraversa L1.
- oppure è chiuso ed allora conduce Q2.

In ogni caso, all' arrivo della tensione di alimentazione, viene generato un impulso iniziale nel campo magnetico che attira in una posizione diversa il magnete del rotore, che inizia a muoversi. Dopo un quarto di giro il sensore commuta e passa in conduzione l' altro transistor e il ciclo si stabilizza in poco tempo.

Manca ancora di capire come diavolo fa a girare ad una velocità pressochè costante.

Il trucco finale è che questo "accrocchio" straordinario, una volta che la girante è in rotazione, si sincronizza perfettamente in una posizione di equilibrio ad una velocità determinata dalle caratteristiche costruttive, dalla resistenza dell'aria smossa dalle pale e dagli attriti dei supporti e che è proporzionale alla tensione di alimentazione.

L' attrito dei supporti della girante è un elemento fondamentale della qualità della ventola. E in effetti esiste una molteplicità di supporti per l' asse, dagli sleeves (bronzine) ai cuscinetti a sfere, ai cuscinetti idrodinamici, ai supporti a levitazione magnetica.

Il supporto dell' albero rotante.

Però, in questa struttura estremamente semplice e funzionale (meno parti di così non si può...), un eccesso di "semplicità" è anche il suo limite: la bassissima potenza trasferibile dal campo magnetico alla coppia meccanica unita alla fanatica ricerca della riduzione dei costi può dare origine a "qualche" inconveniente.

E infatti il supporto dell' albero della girante è la parte critica dell' insieme, perchè realizzare supporti resistenti e miniaturizzati, di buona qualità, è costoso e la produzione cinese di massa privilegia il lato economico a quello qualitativo. Ne derivano ventole che diventano spaventosamente rumorose dopo un certo periodo di funzionamento, a causa dei supporti e si bloccano per polvere o grippaggio dei supporti stessi.

Queste sono bronzine cilindriche tipiche.

Nelle ventole più economiche non si tratta certo di materiali ad altissimo contenuto tecnologico.

In quelle di qualità sono realizzate in ceramiche speciali.

Ecco due cuscinetti tipici: poche sfere e l' anello di posizionamento interno in materiale plastico morbido.

Tra l'altro, va detto che la maggior parte delle piccole ventole ha un solo supporto all' albero, cuscinetto o bronzina che sia.
Questo non è certo l'optimum perchè il peso della girante forma una leva non indifferente; e se non è ben bilanciata, si formano immediatamente vibrazioni che in un attimo sballano il cuscinetto e la sua sede.

Una nota: contrariamente a quanto si pensi, il sistema di supporto meno rumoroso non sono i cuscinetti (ball bearing), ma le bronzine (sleeves).
E, se fossero realizzate bene, sarebbero anche il sistema migliore per il supporto dell' albero.
Ovviamente deve trattarsi di realizzazioni con materiali adeguati (cosa che capita mai nei low cost): ad esempio, prodotti professionali come quelli di PAPST utilizzano sleeves ceramici.

	Se ben dimensionata e ben realizzata (se...) la bronzina supporta meglio l' albero.
	In alternativa, i sistemi a due cuscinetti (dual ball bearing) oppure un cuscinetto più una bronzina (ball bearing and sleeve). Con due cuscinetti il problema del disassamento e delle vibrazioni si riduce (a patto che la massa rotante sia sufficientemente equilibrata).

I supporti, però, a meno di essere del genere idrodinamico o in ceramiche speciali, richiedono una lubrificazione e i cuscinetti richiedono un numero di sferette adeguato, altrimenti sono assai rumorosi e, se non sono sigillati, il poco lubrificante esce e il supporto è danneggiato.
In effetti, cuscinetti di bassa qualità hanno il difetto di andare fuori servizio in quanto male realizzati, il che porta a surriscaldamento, deformazione della plastica del supporto e finale grippaggio, mentre il rumore sale esponenzialmente.

E se, per quanto riguarda il rumore, i supporti idrodinamici o quelli a levitazione lo limitano al minimo possibile, va detto che la maggior parte del rumore è generato dalle pale che spingono l' aria e dell' equilibratura delle masse; solo una costruzione che tenga conto con particolare cura dei profili aerodinamici e della precisione degli stampi delle parti in plastica può dare origine ad un prodotto di qualità.
Però questo si scontra con la necessità del low cost ed è difficile pensare che una ventola da meno di 20 cent possa uscire da una fabbrica svizzera di meccanica di precisione.

- parte solo con una tensione minima (solitamente > della metà di quella di alimentazione)
- e che se, all' arrivo della tensione, la girante è frenata o la tensione non è sufficiente, in generale la ventola è bloccata e può capitare che essa non si avvia nè aumentando la tensione nè togliendo la causa del blocco meccanico.

Il primo punto dipende dal fatto che occorre una coppia minima per vincere le resistenze meccaniche all' avviamento e questa coppia dipende dal campo magnetico applicato, che dipende dalla tensione.
Questo non toglie che esistano anche ventole a 5 V o meno, ma esse sono progettate per funzionare a questa tensione. Una ventola da 12V, al di sotto dei 4-6V di alimentazione, molto probabilmente non parte anche se nuova; certamente non parte se è usata e gli attriti sono aumentati.

Il secondo punto dipende dal fatto che occorre applicare una tensione sufficiente a fornire l' impulso iniziale di avviamento e che se questa tensione è insufficiente, o il rotore è bloccato, non si determina l' inizio del ciclo che coinvolge il sensore di Hall, e quindi è possibile che la ventola non si avvii anche se rilasciata o se la tensione sale.

E questi sono punti che vanno tenuti presenti se si intende regolare la velocità della ventola variando la tensione di alimentazione.

Chi ha seguito fin qua potrebbe ancora chiedersi come fa un motore del genere a partire in una direzione piuttosto che nell' altra, in quanto la struttura simmetrica permette l' avviamento in entrambe le direzioni, mentre ventola si avvia in una direzione precisa.

Per ottenere questo si ricorre a rendere asimmetrico in qualche modo il circuito, sia quello elettrico che quello magnetico, in modo che la ventola si avvii sempre in una sola direzione, che spinge l' aria in modo predefinito.

Ne vediamo la ragione dalla foto qui sotto, dove le espansioni polari sono asimmetriche per generare un campo magnetico prevalente su una direzione di rotazione.

Da notare, somma raffinatezza per questo genere di oggetti, che nell' esemplare nella foto sono stati aggiunti dei poli intermedi (anche se senza avvolgimento) per garantire una rotazione migliore, come efficienza e come potenza trasmissibile alla parte rotante.

Esistono decine di possibili variazioni del circuito elettrico sopra indicato, più o meno complesse o più o meno semplificate (sempre per minimizzare i costi a scapito della durata del prodotto) e queste soluzioni sono andate per la maggiore ed usate ancora oggi.
Alcuni circuiti eliminano i condensatori, altri li sostituiscono con diodi, altri hanno transistor in darlington e così via, sempre mantenendo lo stesso identico schema di principio.

E così via con una ampia gamma di variazioni e la tendenza a installare meno componenti possibile rispetto allo schema base.

Da notare che, nonostante le piccole dimensioni, gran parte di questi circuiti è montato con componenti classici e solo più recentemente o nelle realizzazioni super miniaturizzate si ricorre a componenti SMD; la ragione è sempre economica: in China costa meno mettere al lavoro un po' di persone che ammortizzare l' acquisto di una macchina pick-and-place.

CIRCUITI INTEGRATI PER VENTOLE.

Però qualcuno ha pensato di realizzato un integrato ad hoc, semplificando ulteriormente il montaggio.
Qui vediamo un ingrandimento dell' integrato FTC-S276 che comanda la ventola smantellata nelle foto precedenti.

e questo è un altro esempio di integrato driver, marcato 276 e analogo al precedente

Si nota che il costruttore ha previsto lo spazio di montaggio per un gruppo R1-R2-Q1 che genera il segnale esterno tachimetrico e un C1 tra massa e il capo di una bobina, che non è installato, dato che evidentemente la ventola parte anche senza.
Inter nos, trattasi di esempio di "meno-pezzi-metto-più-guadagno" tipico dei produttori cinesi; per curiosità una ventola del genere comincia a fare rumore dopo qualche mese di lavoro e prima o poi si grippa in un tempo dipendente dalle ore di lavoro, ma difficilmente superiore a un anno, un anno e mezzo.

L' impiego di questi integrati permette di costruire ventole piccolissime, con diametro del nucleo motore inferiore ad una moneta da 10 cent o anche meno.

Ne esistono di diversi produttori, marcati 276, 277, 377, 6407, 6811, ecc., con circuiti applicativi abbastanza simili.

VENTOLE TACHIMETRICHE

Come abbiamo accennato, va da se che la potenza generabile da un motore di questo tipo è minima: si va da meno di 1/2 W a 3 o 4 W per le più grandi, ma sufficienti a fare il loro lavoro -e non altro-.

Infatti è evidente che un motore così realizzato soffre del problema della possibilità di stallo alla partenza dovuta all' accumularsi di sporco e polvere sulle pale o all' interno del supporto della rotante, cosa che crea una resistenza sufficiente ad impedire l' avviamento (se non un vero e propri grippaggio dei supporti, che nei prodotti più economici sono realizzati con materiali inadeguati anche per un low cost cinese).
I disturbi più comuni sono causati proprio da questo, a causa dell'uso di materiali scadenti o inadeguati, la realizzazione grossolana, la possibilità dell' ingresso di polvere. Spesso il guasto è dovuto a più di queste influenze insieme.

Dato che il motore non dispone di un sistema di controllo interno, ne nasce la necessità di disporre di un segnale che indichi ad un controllo esterno che la girante "gira", ovvero l' impulso tachimetrico delle ventole a tre fili, realizzato semplicemente così:

Si tratta di un open collector o più raramente un open drain che manda a massa il polo del segnale tachimetrico ogni volta che il sensore di Hall commuta e che può essere sfruttato esternamente sia per verificare che la ventola giri, sia per misurare il numero di giri.

Costruttivamente, si tratta solo di aggiungere un transistor

Il tacho fornisce solitamente due impulsi per giro, anche se ci sono ventole che danno 1 o 4 impulsi/giro.

A scanso di ogni equivoco, va precisato che le ventole a tre fili - ventole con segnale tachimetrico- NON sono ventole a velocità variabile in quanto il segnale tacho ha lo scopo non di variare la velocità di rotazione, ma di comunicare all' esterno questa velocità.

Una eventuale variazione della velocità di rotazione è imposta variando la tensione di alimentazione.

ALTRI MOTORI

Costruttori più raffinati hanno realizzato ventole con tre coppie polari, azionate da uno dei tanti integrati per il controllo di micromotori trifasi; il funzionamento è del tutto identico a quanto visto prima, solamente la struttura trifase invece che bifase garantisce migliori prestazioni. Ma anche costa di più per cui è parecchio difficile trovare questi motori nelle comuni ventole per PC.

Qui il sistema di controllo è più complesso, facendo uso di un integrato dedicato, ma, come detto, è estremamente raro trovare ventole con più di due coppie polari in queste applicazioni.

Le ventole dei PC.

L' elettronica ?!

FUNZIONA (!) COSI'....

Il supporto dell' albero rotante.

CIRCUITI INTEGRATI PER VENTOLE.

VENTOLE TACHIMETRICHE

Una eventuale variazione della velocità di rotazione è imposta variando la tensione di alimentazione.

ALTRI MOTORI