Методы устранения недостатков

 

В персональных компьютерах используются вентиляторы выполненные на основе двухфазного вентильного двигателя постоянного тока с внешним ротором. Остановимся подробнее на устройстве и принципе работы вентильного двигателя. Применение обычного коллекторного двигателя постоянного тока в компьютере недопустимо, т.к., во-первых, он является источником электромагнитных помех, а, во-вторых, требует систематического ремонта, связанного с механическим износом щеток. Поэтому применяются вентильные двигатели в бесколлекторном варианте исполнения. В таком двигателе на роторе расположены постоянные магниты, создающие магнитный поток возбуждения, а обмотка якоря расположена на статоре (обращенная конструкция). Питание обмотки статора осуществляется таким образом, что между ее намагничивающей силой и потоком возбуждения сохраняется смещение в 90 градусов. При вращающемся роторе такое положение может сохраниться в результате переключения обмоток статора. При переключении должны выполняться два условия, согласно которым обмотки статора должны переключаться в определенный момент времени и с заданной последовательностью. При этом положение ротора определяется с помощью датчика положения, в качестве которого обычно используется датчик Холла. Датчик положения управляет работой электронных ключей (транзисторов). Таким образом электронная схема составляет неотъемлемую часть бесколлекторного вентильного двигателя, поскольку без нее невозможна его нормальная работа.

Рассмотрим принцип действия элементов Холла.

При протекании электрического тока Iс по полупроводниковой пластинке, расположенной перпендикулярно магнитному полю, в пластинке наводится ЭДС Еh, направление которой перпендикулярно как току Iс, так и магнитной индукции В. Поскольку ЭДС действует на заряженные частицы (электроны или дырки) в соответствии с правилом левой руки, то заряженные частицы смещаются к левой стороне полупроводниковой пластинки. Полярность ЭДС зависит от типа проводимости полупроводника (р- или n-тип) и направления вектора магнитной индукции В.

 

 

Рис. Эффект Холла:

а) - в полупроводнике p-типа,

б) - в полупроводнике n-типа.

1 - электроны, 2 - дырки.

 

Значение ЭДС, называемой напряжением Холла, определяется как:

Eh=-(l/d)*B*Ic*Rh, (2.2)

где Rh – постоянная Холла;

Ic – ток через пластинку;

В – магнитная индукция;

d – толщина пластинки.

Полупроводниковые приборы, предназначенные для определения магнитных полей, называются датчиками Холла. В современных вентильных двигателях постоянного тока широко применяются датчики Холла n-типа на основе InSb и GaAs.

Рассмотрим принцип определения положения ротора с помощью датчика Холла.

показана эквивалентная схема датчика Холла, представленная в виде цепи с четырьмя выводами. Как было показано выше, при протекании управляющего тока или тока смещения Ic, от вывода 3 к выводу 4 элемента Холла, помещенного в магнитное поле, вектор индукции которого перпендикулярен плоскости элемента, на выводах 1 и 2 элемента наводится холловское напряжение Eh. Если предположить, что R1=R2 и R3=R4 и принять вывод 4 за общую точку схемы, то потенциалы выводов 1 и 2 равны соответственно Eh/2 и -Eh/2. Далее при изменении направления магнитного поля меняется полярность наводимого на элементе напряжения, что показано на рис. 2.3. Поэтому если разместить элемент Холла вблизи ротора с постоянным магнитом, то этот элемент точно выявляет положение полюсов и значение магнитной индукции, генерируя выводные напряжения Еh1 и Eh2.

Вентильный двигатель постоянного тока с элементом Холла.

а показан простейший вентильный двигатель постоянного тока с элементом Холла, расположение которого изображено. Для управления токами в обмотках W1 и W2 выходные сигналы датчика Холла поступают на вход транзисторов VT1, VT2. показаны следующие состояния вращающегося ротора:

а) элемент Холла определяет северный полюс постоянного магнита ротора и подключает обмотку W2 таким образом, что на полюсном башмаке обмотки образуется южный полюс, вызывающий вращение ротора против часовой стрелки (так как разноименные полюса притягиваются);

б) элемент Холла выходит из-под действия магнитного поля, что приводит к запиранию обоих транзисторов и обесточиванию обмоток W1 и W2. Ротор продолжает по инерции вращаться против часовой стрелки

в) элемент Холла определяет южный полюс ротора и подключает обмотку W1 таким образом, что на полюсном башмаке обмотки образуется южный полюс, притягивающий северный полюс ротора, и продолжая таким образом вращение ротора против часовой стрелки.

 

 

Рис. Эквивалентная схема датчика Холла

 

Рис. Принцип действия вентильного двигателя постоянного тока, использующего элемент Холла

 

Рис. Создание электромагнитного момента, вращение и коммутация обмоток двигателя

 

"Мертвые точки".

следует, что при вращении ротора существуют две "мертвые точки", при которых элемент Холла не может определить направление магнитного поля (линии поля направлены параллельно датчику), а значит в обмотках не протекают токи, создающие электромагнитный момент. Следовательно, существует вероятность остановки такого двигателя в "мертвой точке". Пройти такую точку ротор может только по инерции и лишь при малом значении момента трения на валу. Проблема "мертвых точек" является главным недостатком вентильных двигателей. Основным методом устранения "мертвых точек" в двухфазных вентильных двигателях является использование пространственного гармонического магнитного поля. Получение такого поля достигается либо с помощью неравномерного воздушного зазора между ротором и статором, либо с помощью дополнительных полюсов статора и намагничивания ротора в последовательности N-0-S-N-0-S (0 - область ротора с отсутствием намагничивания, N,S - области ротора, намагниченные северным и южным полюсом соответственно). Не вдаваясь в дальнейшие подробности, отметим лишь, что на практике встречаются двигатели как первого, так и второго типа. показаны поперечные сечения обоих типов двигателей.

Холловская интегральная схема (ХИС).

Для усиления выходных сигналов датчика Холла совместно с ним необходимо использовать один или более транзисторов. В настоящее время на одном кристалле устанавливают как элемент Холла, так и некоторые электронные схемы, образуя холловскую интегральную схему (ХИС). Внешний вид типичной ХИС, а также ее функциональная схема, показаны

 

Рис. Сечение двухфазного вентильного двигателя с внешним ротором:

а) - с неравномерным воздушным зазором; б) - с дополнительными неподвижными полюсами;

1 - ферритовый постоянный магнит (а) - 4 полюсный, б) - намагниченный в последовательности N-S-0-N-S-0; 2 холловская интегральная схема;

3 - магнитопровод (ярмо) якоря; 4 - магнитопровод статора; 5 - обмотка статора

Рис. Холловская интегральная схема (ХИС) (а)

и ее функциональный состав (б):

- элемент Холла; 2 - дифференциальный усилитель;3- выходной каскад

 

Существуют два типа ХИС: линейные и релейные. Изображены характеристики чувствительности ХИС обоих типов. Выбор типа ХИС зависит от конструкции и области применения двигателя.

Выходной сигнал датчика Холла 1, предварительно усиленный операционным усилителем 2, поступает на вход выходного каскада 3. Выходной сигнал ХИС управляет состоянием силового транзистора, регулирующего токи в обмотках двигателя.

Рис. Характеристики ХИС линейного (а) и релейного (б) типа SU8025-M.

 

Рассмотрим в качестве примера работу принципиальной схемы двигателя вентилятора Super-Ultra модель SU8025-M (Тайвань). Этот двигатель имеет следующие основные технические характеристики:

• напряжение питания 12V DC;

• потребляемый ток 120mA.

ХИС HG типа UF1301 управляет состоянием транзисторов Q1, Q2. Транзисторы работают в ключевом режиме и состояние их всегда противоположно. Поэтому ток протекает через обе фазы обмотки статора поочередно, т.к. эти фазы подключены к коллекторам Q1, Q2. Обмотка статора состоит из четырех катушек, при этом обмотки первой и второй фаз наматываются совместно таким образом, как это показано. Магнитные полярности этих обмоток у каждого из полюсов двигателя противоположны друг другу. Такой тип обмотки называют бифилярной обмоткой. Это позволяет запитывать обе обмотки напряжением одной полярности.

 

Рис. Принципиальная электрическая схема двухфазового вентильного двигателя SU8025-M (SUPERULTRA, TAIWAN)

 

В зависимости от положения ротора на выходе 3 ХИС вырабатывается сигнал L- или Н-уровня. Если на выходе ХИС вырабатывается сигнал L-уровня, то транзистор Q1 будет закрыт, а транзистор Q2 открыт. При этом ток, создающий магнитный поток возбуждения, протекает через обмотки фазы В.

 

Рис 19. Бифилярная обмотка

 

Когда ротор поворачивается и вектор магнитной индукции, порождаемый магнитным полем ротора, меняет свое направление, то на выходе 3 ХИС вырабатывается сигнал Н-уровня, транзистор Q1 будет открыт, а транзистор Q2 закрыт. При этом ток, создающий магнитный поток возбуждения, протекает через обмотки фазы А, и ротор продолжает вращение в том же направлении.

Из сказанного следует, что при работе двигателя вентилятора через фазы обмоток статора протекают импульсные токи. Поэтому на индуктивностях обмоток возникают выбросы противо-ЭДС при запирании коммутирующих транзисторов. Для сглаживания этих выбросов к коллекторам транзисторов подключены конденсаторы C1, C2. Кроме того, для того чтобы эти выбросы не проникали в шину выходного напряжения +12В, питание на обмотки подается через развязывающий диод D1.

Ниже приведены краткие характеристики кулера jetstream, 90x90x25mm, 2Ball (два шароподшипника з пониженим уровнем шуму), 3pin, 2000 об/мин, 11 дБ.

Данный вентилятор устраивает нас относительно низкой ценой и низким уровнем шума.

Установка вентилятора

 

Рис. Так выглядела видеокарта Nvidia GTX 960 на базе чипа GM-206-300-A1до установки охлаждения jetstream

Рис. Видеокарта Nvidia GTX 960 на базе чипа GM-206-300-A1 после установки охлаждения jetstream

Особых навыков для установки вентилятора не требуется. К плате приклеиваются эпоксидной смолой втулки, на которые будет крепиться вентилятор. После установки дополнительного вентилятора был произведено тестирование компьютера на температуру на видеокарте, уровень шума всего компьютера, потребляемую мощность (Таблица 2.1).

Таблица 2.1

Тестирование компьютера до установки и после установки дополнительного вентилятора на видеокарту

Показатель, единица измерения	До установки	После установки
1.Температура, ˚С	45-60	25-40
2.Уровень шума, дБ
3.Потребляемая мощность, Вт (225В в сети)

 

Как видим характеристики работы видеокарты улучшились, т.е. мы добились поставленной цели.

Схема принципиальная электрическая до усовершенствования видеокарты выглядела таким образом (сокращенная).

Рис. Схема видеокарты до установки вентиляторов

После установки вентилятора на плату видеокарты схема приобретет вид, изображенный на рисунке:

Рис. Схема видеокарты после усовершенствования (добавлена схема управления вентилятороми jetstream)

 

Разгон» видеокарты