ODXC

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.

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...

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...

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$).

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:

6. Размещение NTC сенсора у анода лампы		7.Установленный блок вентиляторов (RF блок PA перевернут)