В современных электронных схемах вместо больших и тяжелых радиаторов часто используются активные системы охлаждения с вентиляторами. В эпоху микропроцессорных технологий вентиляторы обычно управляются микроконтроллером или другой специализированной микросхемой, а скорость вращения регулируется ШИМ (широтно-импульсная модуляция), то есть регулированием ширины импульса, подаваемого на вентилятор. В некоторых случаях не обязательно управлять вентиляторами микроконтроллером.
Аналоговая регулировка скорости вентилятора иногда более к месту. Схема, представленная для активного охлаждения мощного усилителя и других устройств, позволяет регулировать скорость четырех вентиляторов в зависимости от температуры. Датчик температуры здесь популярный транзистор BD139. Точность температуры не так важна, и использование этого транзистора позволяет снизить стоимость всей схемы.
Кроме того, корпус этого транзистора легко установить на радиатор, обеспечивая хороший тепловой контакт. Управление скоростью основано на плавном изменении выходного напряжения, поэтому оно не создает дополнительных помех, что делает его идеальным для усилителей мощности и многих других устройств. Принципиальная схема аналогового регулятора представлена на рисунке.
Основой схемы является сдвоенный операционный усилитель U1 (LM358), который может работать с выходными напряжениями, близкими к шине питания, то есть близко к земле. Первая половина усилителя (U1A) работает в качестве дифференциального усилителя с коэффициентом усиления 1. Датчик температуры транзистор T1 (BD139), точнее его переход база-коллектор, смещенный в прямом направлении. Резистор R1 (22кОм) определяет ток T1.
Напряжение на транзисторе T1 при комнатной температуре будет в пределах 600 мВ и, как и в обычном PN-переходе, будет уменьшаться с повышением температуры примерно на 2,3 мВ. Конденсатор C1 (100нФ) фильтрует это напряжение, которое поступает на вход дифференциального усилителя U1A. Делитель R2 (22k), P1 (5k) и R3 (120) позволяет регулировать напряжение, которое поступает на неинвертирующий вход дифференциального усилителя U1A.
В простейшем случае потенциометр P1 следует установить на напряжение, равное напряжению при комнатной температуре. Напряжение на выходе U1A при комнатной температуре будет равно нулю и будет увеличиваться при повышении температуры на 2,3 мВ. Другая часть усилителя (U1B) представляет собой неинвертирующий усилитель с коэффициентом усиления 61 (R9 = 120 кОм, R8 = 2 кОм). Исполнительный элемент — это транзистор Т2 (TIP122).
Дифференциальное напряжение с выхода U1A усиливается более чем в 60 раз, после чего поступает на транзистор Т2. Ток, протекающий через транзистор T2, проходит через диоды D1-D4 (1N4007) на разъемы GP2-GP5, которые позволяют подключать вентиляторы. Конденсаторы C5-C8 (100 мкФ) фильтруют питание вентиляторов и дополнительно являются фильтром помех, которые могут создавать сами вентиляторы во время работы.
Вся схема питается напряжением 15В из-за падения напряжения на переходе база-эмиттер транзистора T2, составляющего около 0,6В, и падения напряжения на последовательных диодах. Кроме того, сам операционный усилитель не может работать с выходными напряжениями, близкими к шине питания.
Все эти ограничения и стремление получить питание вентилятора в диапазоне 0–12В вынудили поднять напряжение питания до 15В. Напряжение питания схемы подается на разъем GP1, а конденсаторы C3 (100nF) и C4 (100uF) являются его фильтрацией. Возможный вариант печатной платы, представлен на рисунке.
Важно отметить способ монтажа транзистора Т2 и датчика Т1. Следует помнить, что транзистор Т2 работает в линейном режиме, поэтому на нем выделяется большая мощность потерь, которая напрямую преобразуется в тепло. Плата сконструирована таким образом, чтобы ее можно было легко установить на радиатор. Не плохо использовать панель под микросхему U1, а в качестве потенциометра P1 применить многооборотный.
Запуск в работу схемы не вызовет никаких проблем. Собранная из заведомо исправных компонентов, запускается при подаче напряжения питания. Просто нужно установить порог срабатывания с помощью потенциометра P1, чтобы вентиляторы вращались медленно при комнатной температуре. Напряжение в схеме модели, измеренное на вентиляторе, при комнатной температуре составляло около 4В. В схеме выходное напряжение 12В достигло при температуре 80 градусов, то есть при повышении примерно на 60 градусов.
Отсюда следует, что при комнатной температуре (к примеру 23 градуса) выходное напряжение составляет 4В, а при температуре 80 градусов напряжение составляет 12В. Зная требуемый диапазон изменения выходного напряжения и соответствующий диапазон изменений температуры, можно рассчитать коэффициент усиления для усилителя U1B. Но достаточно отрегулировать рабочую точку с помощью потенциометра P1 так, чтобы при комнатной температуре выходное напряжение было равно нижнему пределу.