Introduzione

In questo articolo parlerò delle ventole, per la precisione parleremo delle ventole comunemente utilizare per raffreddare i personal computer che tutti non abbiamo in casa. Andremo ad vedere cosa propone il mercato e quali sono i possibili sistemi di controllo

310px-AMD_heatsink_and_fan.jpg

Esempio Ventola 3 Pin usata per dissipare una CPU AMD, Fonte Wikipedia

Tipologie e misure

Le dimensioni delle ventole più comuni sono:

• 80 mm
• 92 mm
• 120 mm
• 140 mm

Ne esistono di più piccole (es. 40 mm) e più grandi (es. 200 mm) ma queste sono le più usate

Una volta scelta la dimensione della ventola (spesso imposta) un altro parametro importante da considerare è la circuiteria interna della ventola che ci può permettere o meno di ridurne la velocità a piacimento. Per esempio in un caso di applicazione dove la ventola viene accesa e spenta senza nessuna regolazione (es. alimentatore) non è opportuno utilizare una ventola più sofisitcata che richiederebbe una circuiteria di controllo più complessa.
Caso contrario abbiamo a disposizione spazio sul pcb e possiamo implementare la circuiteria di controllo, in questo caso è opportuno scegliere una ventola più completa in modo da ottenere un miglior controllo ed eventualmente essere più efficienti

Ventole 2 fili

Sorgente FidoCadJ | Ingrandisci | Cos'è Fidocad

Modello base di ventola, questa tipologia presenta solo due fili: Positivo e negativo. Non è possibile sapere il regime di rotazione se non con metodi esterni. Può essere alimentata con una tensione compresa tra i 5 V e 12 V, solitamente la ventola non riesce a partire in autonomia alla tensione minima.

Il principio di funzionamento è abbastanza semplice: Sono presenti due bobine sfasate di 180°, anche il comando delle stesse è sfasato di 180°. Una volta alimentata in base allo stato del segnale generato dal sensore hall viene alimentata una delle due coppie e la ventola esegue un movimento sufficiente a far cambiare di stato il sensore a questo punto viene alimentata l'altra coppia che a sua volta impone un ulteriore movimento facendo cambiare di stato l'uscita del sensore. Si innesca così un circolo vizioso dove il rotore cerca di seguire la rotazione del campo magnetico. La velocità di rotazione è determinata unicamente dalla tensione applicata inquanto va a variare la corrente che scorre nelle bobine e di conseguenza l'intensità del campo magnetico.
Con una tensione di alimentazione minima (5V) le bobine non generano sufficiente campo magnetico per innescare la rotazione, ma se la ventola è già in rotazione il problema non si crea perché vano solo compensate le perdite dovute ad attrito. I sistemi più evoluti alimentano la ventola a 12V per qualche istante e poi eseguono la regolazione di tensione

NDR: Le bobine sono solitamente 2 per "polo" collegate in serie, per un totale 4 bobine divise in due coppie.

Ventole 3 pin (DC Fan)

Sorgente FidoCadJ | Ingrandisci | Cos'è Fidocad

Modello intermedio, si presenta come la precedente ma è stato estratto il segnale dal sensore Hall il che permette di leggere la velocità. Come la precedente è alimentabile da 5V a 12V in modo da regolarne la velocità ma dato che la circuiteria che genera il segnale tachimetrico è alimentata a tensione ridotta possono generarsi falsi segnali.
Il segnale tachimetrico è del tipo "Open Drain", è necessario utilizzare una resistenza di pull-up (fino a Max 5V) per estrarre il segnale con una corrente massima di 5mA. Ne consegue che è possibile utilizzare una resistenza di 1kohm o superiore. Solitamente una resistenza di 10 volte superiore è un buon compromesso

Ventole 4 pin (PWM Fan)

Sorgente FidoCadJ | Ingrandisci | Cos'è Fidocad

Modello completo, Si differenzia dalla precedente perchè è stato inserito un transistor a monte delle alimentazioni delle bobime. Questo ci permette di regolare la tensione media di alimentazione delle bobine senza influenzare la circuiteria di controllo. Di contro ci obbliga a disporre di un segnale PWM per poter regolare gli RPM. è possibile forzare alto il segnale di controllo e variare la tensione di alimentazione ma è una procedura sconsigliata

Tipologie di controllo

In questo paragrafo parleremo in modo semplificato dei sistemi di controllo implementabili. Non si tratta di una guida specifica ma semplicemente di un infarinatura per avere spunti di implementazione

• Per ottenere il massimo campo di regolazione è necessario eseguire la lettura della velocità in modo da evitare lo stallo della ventola.

ON/OFF

Sistema di controllo più semplice, si tratta di accendere o spegnere la ventola ad una determinata temperatura. Il vantaggio è il sistema di controllo semplificato lo svantaggio è il rumore inquanto la ventola gira alla velocità determinata dalla tensione applicata. Nel caso non sia necessario il massimo regime della ventola è possibili applicare un resistore sulla linea di alimentazione in modo da ridurre quella applicata alla ventola.

Proporzionale

Questo sistema utilizza un "resistore variabile" solitamente utilizando un BJT o un MOSFET per creare la tensione da applicare alla ventola. A differenza della resistenza fissa è possibile costruire un circuito che mantenga un determinato setpoint. Lo svantaggio è che tutta la tensione non utilizata dalla ventola viene trasformata in calore dal transistor di comando.

In questo circuito d'esempio, puramente di riferimento, regolando il trimmer è possibile selezionare il valore di tensione applicati alla ventola (in modo indipendente dalla corrente). è possibile sostituire il trimmer con un circuito a NTC/PTC e ottenere lo stesso risultato La potenza dissipata dal transistor di comando segue questa equazione:
P = (Vin − Vfan) * Ifan

Sorgente FidoCadJ | Ingrandisci | Cos'è Fidocad

Low speed PWM

Il principio di funzionamento è identico al precedente ma invece che utilizare un sistema dissipativo per generare la caduta di tesione si utilizza un segnale PWM a bassa frequenza. Utilizando il transistor in commutazione è possibile limitare fortemente la dissipazione sul transistor, nella fase off la dissipazione può essere considerata nulla e nella fase on è determinata dalla rds(on) e dalla corrente della ventola. Per quanto riguarda le dispersioni di commutazione data la frequenza bassa (inferiore 100 Hz) e il pilotaggio ottimale si possono considerare nulle.

Disalimentando in modo randomico la ventola può succedere di tagliare il segnale tachimetrico, è necessario a volte prolungare l'impulso di accensione in modo da ottenere due inpulsi di forma corretta. Questa tecnica viene chiamata "pulse streching".
Dato che la frequenza di commutazione è all'interno del range di frequenze udibili la ventola tenderà a generare un lieve ronzio, che in base all'utilizzo può essere fastidiosa o meno.

Una differenza fondamentale rispetto ai metodi precedenti è che è possibile leggere il segnale tachimetrico della ventola (se disponibile) e tramite il controller andare ad eseguire un controllo "closed loop". Si sconsiglia questo metodo di controllo con le ventole a 4 fili.

Circuito di principio:

Sorgente FidoCadJ | Ingrandisci | Cos'è Fidocad

Fast speed PWM

Questa tecnica di controllo è di principio identica alla precedete ma necessita di una ventola a 4 Pin. Iniettano un segnale PWM nel filo di controllo è possibile disalimentare solo le bobine della ventola andando a parzializzare solo il valore di quest'ultime ottenendo una riduzione del regime di rotazione. Come la precedente è possibile eseguire la lettura del regime di rotazione per ottenere un controllo a circuito chiuso.
Essendo la circuiteria che genera il segnale tachimetrico sempre alimentata non si necessita di particolari accorgimenti Indicativamente la ventola sotto il 20% non riesce a mantenere il regime, inoltre non riesce ad avviarsi a questo livello di tensione. Si consiglia di applicare la massima velocità per circa 1 secondo per poi ridurre gradualmente il valore di Duty Cycle monitorando il segnale generato dalla ventola per ricercare il regime più basso utilizabile

Le caratteristiche del segnale PWM sono le seguenti:

• Frequenza 25kHz, Range accettabile da 21 kHz a 28 kHz
• Livello logico basso massimo = 0.8V
• Livello logico Alto massimo = 5.25 V
• Range di Duty Cycle accettato: 0-100 %.
• Segnale non invertito = 100% (5V) = Max RPM
• Corrente massima erogata 5 mA (in situazione di corto circuito)

Documentazione

Datasheet Noctua PWM

Conclusione

In questo articolo ho voluto dare un infarinatura sul mondo delle ventole e su i loro sistemi di controllo
Tutti i circuiti sono indicativi e semplificati, molto spesso nelle ventole è presente un integrato che si occupa di controllare in modo autonomo tutti i parametri necessari
Anche se il sistema della ventola a 4 Pin può sembrare complesso, molto spesso nei circuiti è presente un UC in grado di generare il segnale richiesto risparmiano componenti nella realizzazione
In caso di un controller dedicato esistono modelli autonomi tipo il MAX31740 o gestiti tramite BUS come il EMC2101