ODXC

Oбнинское DX Сообщество

Новости
Василием (RA1ZZ/3) предоставлено описание и фото того, как это было...

Обновлен функционал загрузчика ADF4xxx

Описание коммутатора приемных антенн по витой паре

Обнинск  

Точное время   MSK:

Контроллер обдува ламп усилителя мощности

Сергей RW3XA, август 2015

В усилителях мощности требуется высокая производительность воздушного потока для охлаждения ламп, что создает значительный акустический шум... В тоже время, при работе лампы в дежурном режиме, рассеиваемая ею мощность не высока и мощность воздушного потока может быть значительно снижена. Соответственно, может быть снижена и мощность шума от вентилятора. А это особенно актуально при работе усилителя в жилом помещении или в режиме SSB. Ниже приведено описание контроллера управления специальным серверным вентилятором, обеспечивающем адаптивную регулировку скорости вращения вентилятора в зависимости от температуры воздуха на выходе потока из стакана лампы. Контроллер разработан для использования в усилителе на 2-х ГУ43Б. Регулировка осуществляется посредством широтно-импульсной модуляцией (ШИМ, PWM) управляющего входа вентилятора или вентиляторов, т.к. несколько вентиляторов могут быть подключены параллельно.

В качестве датчика температуры выбран распространенный и доступный NTC резистор 10кОм с характеристикой B 3950K, который устанавливается на выходе воздушного потока и примерно на расстоянии 3-5см от анода лампы. График зависимости сопротивления от температуры изображен на рисунке 1, а типовые значения приведены в таблице. Датчики NTC имеют некоторый разброс значений, поэтому все приведенные конкретные значения температур являются приблизительными, но для данной задачи не принципиальными.

График изменения сопротивления NTC датчика от температуры и его сопоставление с регулировочной характеристикой контроллера

1. График сопротивления NTC датчика и регулировочной характеристики контроллера

Cхема основана на базе AVR микроконтроллера (МК) Atmel ATtiny25. МК работает от встроенного RC генератора 8МГц. На основе информации от датчика температуры контроллер генерирует сигналы ШИМ, звука и блокировки. ШИМ регулировка работает на частоте 2кГц и осуществляется в диапазоне температур 30...80С, при этом ширина импульса управления изменяется примерно от 30мкс до 490мкс с меандром при температуре около 55С. Минимальная длительность ШИМ около 30мкс и является нижним ограничением скорости вращения вентилятора, т.е. при снижении температуры ниже 30С скорость вентилятора остается постоянной и на минимальном значении. При этом воздушный поток минимален, а шум вентилятора практически не слышен. В зависимости от необходимой мощности потока обдува лампы, минимальную скорость можно установить вручную на необходимый уровень, вплоть до максимальной, с помощью подстроечного резистора RV1. Следует иметь ввиду, что температура указанная на графиках является температурой датчика, а не лампы. Разница между температурой датчика и температурой анода лампы не должна превышать 20-30C и зависит от конструкции связи датчика с воздушным потоком от анода лампы. Величиной этой связи можно в некоторых пределах изменять наклон регулировочной характеристики. Температурную связь датчика и его настройку нужно проводить доверяя только измерениям. Измерение температуры анода и датчика нужно проводить бесконтактным методом с помощью пирометров, т.е. бесконтактных инфракрасных термометров (их цена 8-15$ на Ebay). Температура с датчика считывается примерно через каждые 100мс, т.к. тепловая инерция самого датчика составляет минимум десяток секунд, и увеличится еще больше если датчик установлен на пластине. А такая пластина из меди нужна чтобы уменьшить тепловое сопротивление между потоком воздуха и датчиком. Но пластина должна быть заземлена на корпус гальванически и по ВЧ для КВ/УКВ диапазона, да так, чтобы при этом отвод тепла от пластины на корпус был минимален...

Схема контроллера управления вентилятором

2. Схема контроллера управления вентилятором

Логика.
После включения усилителя производится прогон вентилятора (пыль разогнать и дать знать семье, что папа сел за радио), контроллер разгоняет вентиляторы до максимальной скорости и затем плавно уменьшает скорость до минимума, издает двойной звуковой сигнал и только после этого скорость вентилятора устанавливается в соответствии с температурой NTC датчика. Затем устанавливается сигнал -TEMPOK, т.е. транзистор M1 открывается. Этот сигнал в состоянии "0" используется как разрешение для подачи анодного и экранного напряжения на на лампу усилителя мощности. Светодиод GR_TEMPOK индицирует состояние когда температура в норме и сигнал -TEMPOK активен, т.е. в "0". При температуре датчика около 80C (т.е. примерно 100-110С на аноде лампы), вентиляторы разгоняются до максимальной скорости. Если температура >80С держится более 5 секунд, то контроллер начинает издавать короткий звуковой сигнал каждую секунду сообщая о перегреве. Если перегрев сохраняется и следующие 10 секунд (т.е. 15 секунд с момента обнаружения перегрева), то сигнал -TEMPOK снимается, а транзистор M1 закрывается чтобы разорвать цепь разрешения экранного/анодного напряжения лампы. После охлаждения ниже 80С звуковой сигнал прекращается и сигнал -TEMPOK переходит в нормальное состояние. Данная логика и временнАя диаграмма является расчетной и возможно будет скорректирована после детальных испытаний на практике.

Настройка. RV2 необходимо установить на максимальное сопротивление. Для калибровки необходимо разогреть датчик до 55C и с помощью RV1 установить меандр на выходе PWM. После калибровки можно установить необходимый уровень минимальной скорости вентилятора с помощью RV2.

Конструкция.
Номиналы компонентов схемы в основном не критичны и выбираются в соответствии со стандартными расчетами. Исключением являются R4, RV1 и RV2, соотношение которых определяет положение регулировочной характеристики в нужном диапазоне температур. В схему включена некоторая избыточность, т.е. некоторые компоненты включены для универсальности. Например:
- R8 нужен только если вместо транзистора M1 будет использоваться подходящий n-p-n транзистор;
- R3 нужен только если бипер очень громкий и требуется его приглушить - номинал требует подбора.
Вместо микроконтроллера ATtiny25 можно использовать ATtiny45 или ATtiny85.
Конструкция собрана на макетной плате и установлена в металлический корпус 125x60x40мм. На реальной плате использованы компоненты имевшиеся под рукой и с некоторым с запасом по току/напряжению. Но это не лишнее, т.к. контроллер работает в окружении больших токов, напряжений и мощных излучений. В реальной конструкции использованы специальные серверные вентиляторы Nidec UltraFlo V12E-B5, (22W, 12VDC/1.85A, 120x120x38мм, поток до 6м.куб/мин). Вентиляторы имеют сравнительно высокую мощность - 22Вт по паспорту, а в реалиях еще большую, т.к. ток потребления каждого такого вентилятора достигает 3А при 13В. Т.е. от обычных компьютерных вентиляторов 120х120мм эти отличаются как минимум на порядок большей электрической и потоковой мощностью. Провода от NTC датчика должны быть в экране, т.к. датчик располагается близко к аноду лампы (3-5см) с мощным радиоизлучением. Конструкция крепления датчика и рузультаты будут описаны позже, после реализации и испытаний...

Конструкция      Блок вентиляторов
3. Конструкция   4. Блок вентиляторов

Программное обеспечение.
Контроллер работает под управлением специальной программы, прошитой (записанной) в МК. Прошивка (коды программ) приведена в конце этой страницы. При прошивке МК, в него также необходимо записать и конфигурацию специальных опций (фьюзов) в соответствии со значениями, которые приведены на скриншоте ниже. Если этого не сделать, то программа МК будет работать неправильно. При необходимости изменения конфигурации фьюзов, можно воспользоваться удобным он-лайн калькулятором. Для прошивки рекомендую использовать программу SinaProg и программатор USBASP (1-2$).

ATtiny25 fuses

5. Конфигурация микроконтроллера ATtiny25 (фьюзы)

Прошивка v1.0

Результаты
Датчик установлен в 3см над анодом одной из ламп и закреплен в отверстии армированного силиконового воздуховода. В потоке воздуха должно находиться не менее 50-60% корпуса датчика, а его остальная часть, остающаяся вне воздуховода, не должна быть оголенной, иначе ухудшится теплопередача и регулировочная характеристика системы. На провода датчика одет луженый экран, который прижимается к датчику с помощью термоусадочной трубки длиной около 10-12см, это дополнительно обеспечивает и повышение теплового сопротивления между датчиком и корпусом, далее экран надежно соединен с корпусом в нескольких местах. Экран нужно использовать не сплошной и жесткий, а мягкий и с плотностью примерно 50-70% чтобы достаточно экранировать, чтобы не отводить тепло от датчика. Регулировку минимальной скорости вентиляторов нужно увеличивать от минимума и установить на таком уровне, чтобы в ждущем режиме температура на выходе потока воздуха через лампы в абсолюте была не более +30...40 градусов, или чтобы рукой практически не чувствовалось тепло в потоке воздуха от ламп. Применение данного автоматического обдува позволило значительно снизить шум усилителя в режиме ожидания, т.е. при приеме уши не давятся постоянным  шумом вентиляторов простаивающего в режиме ожидания усилителя. Изменения в звуковой эргономике шека по сравнению с тем что было, можно оценить как "небо и земля". Фото установки сенсора в усилителе приведены на фото ниже:

Размещение NTC сенсора у анода лампы      Установленный блок вентиляторов
6. Размещение NTC сенсора у анода лампы   7.Установленный блок вентиляторов (RF блок PA перевернут)
 
Obninsk DX Community - www.odxc.ru Contact My-Engine CMS Obninsk DX Cluster - odxc.ru ODXC © RW3XA, 2006-2017 4436