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ENCICLOPÉDIA DE RÁDIO ELETRÔNICA E ENGENHARIA ELÉTRICA Controle proporcional do ventilador de refrigeração do motor do carro. Enciclopédia de rádio eletrônica e engenharia elétrica
Enciclopédia de eletrônica de rádio e engenharia elétrica / Automóvel. Dispositivos eletrônicos O dispositivo proposto permite alternar do princípio do relé de controle do ventilador do sistema de refrigeração do motor "a temperatura está acima da norma - ligada, abaixo da norma - desligada" para o controle proporcional, que, segundo o autor, é mais favorável para o motor. Agora, à medida que a temperatura do refrigerante aumenta, a velocidade do rotor do ventilador aumenta linearmente. Hoje, em muitos motores de automóveis, o ventilador de resfriamento é acionado eletricamente, mas na maioria dos casos é controlado por um princípio de relé. Esse controle tem apenas uma vantagem - facilidade de implementação. Basta ter um sensor de temperatura com saída de contato que controle o motor do ventilador diretamente ou através de um relé intermediário. A principal desvantagem desse método é uma queda acentuada na temperatura do refrigerante na saída do radiador após o ventilador ser ligado. Um ventilador operando em potência máxima reduz a temperatura do refrigerante na saída do radiador em 15 ... 25 оCom ou mais. Ao entrar na camisa de resfriamento do motor, o líquido significativamente resfriado inflige choque térmico nas superfícies quentes, o que afeta negativamente a operação do motor. Para sua operação confortável, é desejável manter a temperatura do refrigerante próxima ao ideal recomendado pelo fabricante, devendo-se, em princípio, excluir oscilações bruscas de temperatura (choques térmicos). Em alguns veículos com ventilador de refrigeração acionado mecanicamente, isso é obtido conectando o ventilador ao virabrequim do motor por meio de um visco-acoplamento. Ele altera o torque transmitido ao eixo do ventilador dependendo da temperatura do refrigerante. Isso estabiliza a temperatura. O dispositivo proposto é um análogo eletrônico de um visco-acoplamento para um ventilador acionado eletricamente. Ele ajusta automaticamente a velocidade de sua rotação, dependendo da temperatura do refrigerante. O dispositivo opera a partir da rede de bordo do carro com uma tensão de 10...18 V e pode controlar um ventilador com consumo máximo de corrente de até 20 A ou até 30 A, desde que a área do dissipador de calor de os elementos de poder são aumentados. O consumo de corrente do próprio dispositivo não excede alguns miliampères. Os valores da temperatura de ativação do ventilador com a velocidade de rotação mínima e a temperatura na qual a velocidade de rotação do ventilador atinge seu máximo são definidos com uma resolução de 0,1 оC ao programar o microcontrolador. Se o sensor de temperatura do líquido refrigerante falhar, o dispositivo entra em modo de emergência, permitindo que o motor dirija com segurança até a oficina. O esquema do dispositivo é mostrado na fig. 1. O sensor digital DS18B20 (BK1) mede a temperatura. A utilização deste sensor elimina a necessidade de calibração do dispositivo fabricado e melhora sua repetibilidade.
As informações de temperatura são lidas do sensor pelo microcontrolador ATtiny2313A-PU (DD1), que é sincronizado por pulsos de 1 MHz de um gerador RC interno. Proporcionalmente à temperatura, regula a tensão de alimentação do motor do ventilador e, consequentemente, a velocidade do seu rotor. O motor recebe uma tensão pulsada, cujo componente constante, que determina a velocidade de rotação, depende do ciclo de trabalho (a relação entre a duração dos pulsos e o período de sua repetição). O programa define o ciclo de trabalho com números binários de oito bits carregados no registro de comparação do temporizador do microcontrolador operando no modo PWM. Os pulsos gerados pelo microcontrolador controlam o funcionamento da chave de força do transistor de efeito de campo VT1, que fecha e abre o circuito de alimentação do motor do ventilador da rede de bordo do veículo. Neste caso, a componente constante da tensão aplicada ao motor é igual a você = você0 (N/255) onde U0 - tensão na rede de bordo, V; N é o número carregado no registrador do microcontrolador. Pode ser alterado em etapas ΔU = U0 / 255. Com uma tensão na rede on-board de 12 V ΔU≈0,05 V, que permite ajustar a velocidade do ventilador quase suavemente. Para garantir a operação confiável do transistor principal VT1 em modos transitórios, o microcontrolador o controla por meio do driver TC4420EPA (DA1). Transistores de efeito de campo modernos, com uma resistência de canal aberto muito baixa (alguns miliohms), são capazes de comutar uma corrente significativa mesmo sem o uso de um dissipador de calor. No entanto, a grande capacitância de entrada do transistor de efeito de campo, que para dispositivos poderosos atinge vários milhares de picofarads, é carregada e descarregada durante sua comutação. Isso leva mais tempo, quanto maior for a impedância de saída da fonte do sinal de controle. O ruim é que no processo de recarga da capacitância, o transistor de efeito de campo fica no modo ativo e a resistência de seu canal é bastante alta. Portanto, durante o tempo de chaveamento, uma quantidade significativa de energia é liberada no cristal do transistor, o que pode levar ao seu superaquecimento e danos irreversíveis. A única maneira de combater esse fenômeno é acelerar o processo de recarga. Para fazer isso, os transistores de efeito de campo são controlados por meio de amplificadores especializados (drivers) que possuem uma baixa impedância de saída e fornecem uma grande corrente de descarga de carga pulsada (até vários amperes). Isso garante uma recarga rápida da capacitância de entrada do FET e, portanto, minimiza a duração de sua operação no modo ativo e reduz a energia dissipada nele. O resistor R4 mantém a lógica de entrada do driver baixa durante a inicialização do microcontrolador, desde que todas as suas saídas permaneçam em um estado de alta impedância. Isso elimina a abertura desnecessária do transistor VT1 neste momento. O diodo VD1 elimina os pulsos EMF de auto-indução que ocorrem nos enrolamentos do motor do ventilador nos momentos de fechamento do transistor VT1. Durante a operação, o programa do microcontrolador monitora constantemente a presença e operacionalidade do sensor de temperatura. Se não houver conexão com ele, ele entrará no modo de operação de emergência. Neste modo, independentemente da temperatura do refrigerante, o ventilador será ligado em potência máxima por 33 segundos e depois desligado pelo mesmo tempo. Claro, isso está longe de ser a melhor maneira de resfriar o motor, mas evita sua falha total na ausência de resfriamento. A transição para o modo de emergência é sinalizada pela inclusão do LED HL1. Se a falha de comunicação com o sensor foi temporária, após sua restauração, o dispositivo volta ao funcionamento normal. O programa do microcontrolador para controle do ventilador contém os seguintes dados iniciais como constantes: - Tminutos = 87 - temperatura do líquido de arrefecimento, оC, em que o ventilador deve começar a trabalhar na velocidade mínima; Como você sabe, os sensores industriais projetados para controlar a operação dos ventiladores de resfriamento têm dois parâmetros principais - a temperatura ligada e a temperatura desligada. Eles devem ser escolhidos como Tmax e Tminutos. O valor de N1 deve ser definido de forma que a componente constante da tensão no motor do ventilador seja igual à sua tensão inicial Utr. O problema é que não é costume indicar a tensão de ruptura nos dados técnicos dos ventiladores, portanto o autor não encontrou o valor desse parâmetro na literatura ou na documentação. Tinha que ser determinado experimentalmente. A técnica é simples - aplicando tensão ao motor, encontre seu valor no qual o eixo começará a girar lentamente (girar em um ou dois segundos), mas girar constantemente. Para a maioria dos motores CC com uma tensão de alimentação nominal de 12 V, a tensão de partida está na faixa de 3...5 V. Ao iniciar o programa, o microcontrolador, com base nos valores de TmaxTminutos e N1 calcula Dn - a inclinação necessária da dependência do valor do registro de comparação do temporizador de código carregado na temperatura: Dn = (255 - N1)/(Tmax - Tminutos). Em seguida, o loop principal do programa começa. Em primeiro lugar, verifica-se a comunicação com o sensor de temperatura e, na sua ausência, a transição para o funcionamento de emergência. O programa executa essa verificação a cada segundo. Se a próxima verificação mostrar que o sensor está funcionando, a operação normal é restaurada. Quando o sensor está bom, ele mede a temperatura atual do refrigerante T. Se estiver abaixo de Tminutos, o programa desliga o ventilador, caso contrário calcula o valor necessário do código de controle usando a fórmula N = (T - Tminutos) Dn+N1. Na mesma proporção, será definido o fator de serviço da tensão que alimenta o motor e, conseqüentemente, a frequência de rotação de seu rotor. Como resultado, a temperatura do refrigerante em uma carga constante no motor é mantida constante. Com uma carga variável, a temperatura flutua dentro de pequenos limites dentro do intervalo Tminutos...Tmax. Todas as partes do dispositivo, com exceção do sensor BK1 e do LED HL1, são colocadas em uma placa de circuito impresso de 58x65 mm, cujo desenho é mostrado na fig. 2, e a disposição dos elementos - na fig. 3.
Os microcircuitos são soldados diretamente na placa sem painéis, cujo uso é indesejável em condições de alta vibração. A placa possui pads de contato SCK, RST, VCC, MISO, MOSI, GND não mostrados no diagrama, aos quais os fios de mesmo nome do programador são soldados durante a programação do microcontrolador. Neste caso, a placa e o programador durante a programação devem ser alimentados por +5 V (VCC) da mesma fonte. A placa foi projetada para aceitar resistores e capacitores de tamanho 1206 para montagem em superfície. Diodo SR2040 (URL: files.rct.ru/pdf/diode/5261755198365.pdf) - em um pacote TO220AC de dois pinos. Juntamente com o transistor IRF3808, ele é fixado com pasta termicamente condutora em um dissipador de calor comum com área de superfície de resfriamento de cerca de 60 cm2. O princípio de fixação de um transistor 5 ou diodo a um dissipador de calor 1 e todo o conjunto a uma placa de circuito impresso 2 é mostrado na Fig. 4. O diodo é isolado do dissipador de calor com uma junta de mica e do parafuso de fixação 4 e da manga metálica 3 - com uma manga isolante (os elementos isolantes não são mostrados na figura). Entre as caixas do diodo e do transistor está o terceiro ponto de fixação do dissipador de calor na placa. Aqui também é fixado com parafuso e manga.
Todos os condutores impressos da placa, por onde passa a corrente do motor do ventilador, devem ser cobertos com uma camada de solda com espessura de pelo menos 0,7 ... 1 mm, e a seção transversal dos fios de alimentação deve garantir a passagem desta corrente. É aconselhável colocar o LED HL1 no interior do carro para que o motorista tenha informações atualizadas sobre o modo atual de operação do dispositivo. O sensor DS18B20 (VK1) deve ser colocado no alojamento do sensor de contato de temperatura do refrigerante padrão, do qual todo o "recheio" deve ser removido primeiro. Esse corpo também pode ser usinado em latão, mantendo as dimensões gerais e de conexão. A colocação do sensor DS18B20 no invólucro é mostrada na fig. 5. O sensor 4 com conector 1 soldado em seus terminais é colocado na cavidade 3 do invólucro de forma que sua parte superior, sobre a qual é aplicada uma camada de pasta termicamente condutora 5, toque o fundo da cavidade.
Depois disso, a cavidade é preenchida com um selante resistente ao calor. O conector 1 deve ter revestimento anticorrosivo dos contatos, ser à prova de respingos, fixar firmemente a peça de acoplamento, evitando que se solte devido à vibração. O sensor preparado é instalado no lugar do normal. A placa montada é colocada em uma caixa de dimensões adequadas, localizada no compartimento do motor do carro. As aberturas de ventilação são fornecidas no caso. O microcontrolador ATtiny2313A pode ser substituído por outra família AVR que tenha pelo menos um timer de 8 bits e um de 16 bits e pelo menos 2 KB de memória de programa. Naturalmente, a substituição do microcontrolador exigirá a recompilação do programa e, possivelmente, a alteração do layout da placa de circuito impresso. Em vez do driver de lado baixo TC4420EPA não inversor, você pode usar outro semelhante, como o MAX4420EPA. O diodo de barreira Schottky SR2040 pode ser substituído por um semelhante com uma tensão reversa permitida de pelo menos 25 V e uma corrente direta permitida de pelo menos a corrente operacional do ventilador. No entanto, os diodos Schottky com uma tensão reversa de mais de 40 V não são recomendados, pois uma queda de tensão direta maior em tal diodo levará a um aumento na dissipação de calor. Um substituto para o transistor de efeito de campo IRF3808 com uma porta isolada e um canal do tipo n deve ser selecionado com uma corrente de dreno direta aceitável a uma temperatura de 100 ° C 2,5 ... 3 vezes a corrente de operação do ventilador e com uma resistência de canal aberto em uma corrente de operação do ventilador de até 20 A - não mais que 10 mΩ e 20 ... 30 A - não mais que 7 mΩ. A tensão dreno-fonte permitida deve ser de pelo menos 25 V e a tensão porta-fonte deve ser de pelo menos 20 V. Um dispositivo montado corretamente a partir de peças que podem ser reparadas exigirá ajustes somente se os dados iniciais na versão anexada do programa, mencionado anteriormente, não corresponderem aos necessários. Nesse caso, eles precisam ser corrigidos no código-fonte do programa, recompilados no ambiente de desenvolvimento Bascom AVR e carregados na memória do microcontrolador em vez do arquivo Cooler-test.hex anexado ao artigo, o arquivo HEX resultante. Se a tensão de partida do motor do ventilador for desconhecida, ela pode ser determinada experimentalmente. Para fazer isso, em vez do programa de trabalho, você precisa carregar o programa de depuração desenvolvido por mim na memória do microcontrolador. O arquivo Cooler-test.hex anexado ao artigo contém seus códigos. A configuração do microcontrolador é programada da mesma forma para os programas de trabalho e teste de acordo com a Fig. 6, que mostra a janela de configuração do programador AVRISP mkII.
3 s após a alimentação ser ligada, o programa Cooler-test começa a controlar o ventilador, aumentando gradativamente de 55 para 95 passos de 5 unidades o código que define o ciclo de trabalho da tensão de impulso que alimenta o ventilador. Isso corresponde aproximadamente a uma mudança no componente DC dessa tensão de três para cinco volts. A duração de cada estágio é de 10 s, durante os quais o ventilador e o LED HL1 ficam ligados, e uma pausa de 5 s, durante os quais o ventilador é desenergizado e o LED apagado. O fim do programa é sinalizado por uma série de cinco flashes curtos do LED. Observando o LED, é fácil determinar em que estágio o ventilador começou a girar e determinar o valor de N1, que deve ser escrito no programa principal. A operação do dispositivo no modo de emergência é verificada desconectando o conector do sensor de temperatura. Neste caso, o ventilador deve ligar e operar em potência máxima no modo intermitente (33 s - operação, 33 s - pausa). O LED HL1 deve estar aceso. O brilho desejado é definido selecionando o resistor R3. Os programas do microcontrolador podem ser baixados em ftp://ftp.radio.ru/pub/2016/11/fan.zip. Autor: A. Savchenko, pos. Zelenogradsky, região de Moscou
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Comentários sobre o artigo: viktor Com um curto-circuito, ele não será desligado - a fiação queimará. funciona sob carga leve. Leonid Não entende qual é o ponto? o tiristor pode realmente ligar e desligar a massa. Mas quando você instala o diodo, é o terra, ele permanece ligado. e para que isso funcione, você precisa adicionar um relé que conectará um diodo ao sistema e aplicará tensão ao eletrodo de controle. Talvez eu não entenda alguma coisa, quem é mais alfabetizado - explique convidado Leonid! O diodo passa a corrente em uma direção, ou seja, do gerador para a bateria.
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