CN103982455A - 易于设置工作点的风扇温控调速电路 - Google Patents

Abstract

一种易于设置工作点的风扇温控调速电路，以运算放大器为中心，配以运放偏置电路、温度检测电路、负反馈电路、限位电路和功率推动电路等构成。以较少的元件实现直流风扇的温控调速功能，能控制风扇维持运转、变速运转、最高转速运转，各种运转方式对应的工作点都有相应电路进行设置，电路内涵计算公式。本发明提供了详细的工作点设置方法和计算公式。

Description

易于设置工作点的风扇温控调速电路

技术领域

本发明涉及直流散热风扇的温控调速电路，尤其是涉及风扇温控调速电路工作点的设置。

背景技术

直流风扇是设备主要散热工具，因散热与噪声的矛盾，给风扇增加调速功能近年日益广泛。直流风扇调速主要采用PWM技术和调压式两种方式，PWM方式效果好，但成本因素影响了它的普及；调压式是采取调节风扇供电电压的方式控制直流风扇转速，它以简易、成本低、自成体系独立运行的优势在直流风扇温控调速电路中占有不低的比例。

调压式温控调速电路基本原理及在实践中面对的问题见说明书附图1，温度较低时，调速电路给风扇提供一个维持工作电压Uo₀，使风扇维持低速运转；当温度超过设定温度t₁时，风扇随温度变化作变速运转；达到另一个较高温度t₂时，调速电路提供给风扇最高工作电压Uomax，风扇全速运转。三个状态，维持运转状态、变速运转状态、全速运转状态；两个点，风扇从维持运转转为变速运转的变速起始点，变速运转到全速运转的转换点；设计调速电路时，因三个状态两个点互相牵扯，使电路难以再简化；同时，调速电路工作点的设置缺乏简便公式，借助可调电阻实验来确定设计参数并不罕见。要使调压式温控调速电路得到更广泛的应用，还须从设计环节着手找到工作稳定的、内涵有计算公式的电路形式，并且这种电路形式应该结构简单、成本不高。

发明内容

本发明提出一种易于设置工作点的风扇温控调速电路，以运算放大器为中心，配以运放偏置电路、温度检测电路、负反馈电路、限位电路和功率推动电路等构成。以较少的元件实现直流风扇的温控调速功能，能控制风扇维持运转、变速运转、最高转速运转，各种运转方式对应的工作点都有相应电路进行设置，电路内涵有计算公式。本发明提供了详细的工作点设置方法和计算公式。

电路构成：用运算放大器作放大器件；两只电阻从电源分压，中点接在运放的一个输入端为其提供偏置，同时用以设置放大电路基准电压；热敏电阻与一只电阻从电源分压，中点接在运放另一个输入端为其提供偏置，同时把热敏电阻随温度变化其阻值变化转化为电压变化提供给这个输入端；运放的输出端接功率推动电路；功率推动电路的输出端接直流风扇；负反馈电路一端接在功率推动电路输出端，或接在能体现功率推动电路输出端电压变化的电路点，另一端接运放接有温度检测电路的输入端；限位电路可以是具有单向导电特性的单个元件，也可以是含有单向导电特性元件的多个元件组合；限位电路至少有两个端子，一个端子接在功率推动电路输出端，或接在能体现功率推动电路输出端电压变化的电路点，检测输出端电压变化，另一个端子接在运放接有温度检测电路的输入端，控制这个输入端的电压，配合其它电路为风扇提供维持运转电压；电路输出端设有脉冲抑制电路，是与直流风扇并联的电容构成。

附图说明

图1是调压式温控调速电路输出电压与温度关系的普适曲线；

图2是第1实施例电路图；

图3是闭环电压增益K_F与温度及输出电压关系图；

图4是第2实施例电路图；

图5是第3实施例电路图；

图6是第4实施例电路图。

具体实施方式

第1实施例电路分析

见说明书附图2，因分析关系到计算工作点，分析前需先确定温度t₁、温度t₂和维持电压Uo₀，参见说明书附图1，根据实际需要确定t₁、t₂，参考风扇生产厂家给出的直流风扇最低启动电压数据确定维持电压Uo₀；

维持电压Uo₀的设置该实施例电路由R1与R2从电源分压，分压电压提供给运放A的同相输入端；温度传感器RT与R3从电源分压，分压电压提供给运放A的反相输入端；温度传感器RT采用NTC负温度系数热敏电阻。先假设运放两个输入端工作点都已经设置为大致等于再假设二极管D开路，又假设环境温度极低，看一下电路工作状况：这时RT阻值很大，造成即运放的反相输入端电压V_A-大于同相输入端电压V_A+，运放将输出低电平，三极管BG截止，输出电压Uo为零。现在接入二极管D，再看一下电路工作状况：此时D的正端电压高于负端电压，D因获得正向电压而导通；D导通拉低了运放反相输入端电压，使运放输出端电压上升，三极管导通，输出电压Uo升高；当运放输入端电压V_A-＝V_A+时，电路工作状态达到平衡，这时的输出电压正是需要的使风扇维持低速运转的维持电压Uo₀；由于电路平衡时运放两输入端电压相等，从运放反相输入端出发，经二极管D、三极管B-E这条路径看过去，功率推动电路输出端与运放输入端的电位差有：二极管导通压降V_F和三极管的V_BE，因此： ${\mathrm{Uo}}_0=V_{\mathrm{CC}}\frac{R2}{R1+R2}-V_F-V_{\mathrm{BE}};$ 由上式得到R1、R2分压比：

$\frac{R2}{R1+R2}=\frac{{\mathrm{Uo}}_0+\mathrm{VF}+\mathrm{VBE}}{\mathrm{VCC}},$ 式中：V_F-二极管正向工作电压，有了分压比，也就有了计算R1、R2的依据；确定R1、R2后，维持电压Uo₀的设置完成。

由以上分析可知，维持电压Uo₀只与R1、R2分压比相关，之后其它工作点的设置不影响维持电压的设定；同时可知，确定R1、R2阻值以后，得到分压电压它被单独放置于运放的一个输入端，不但决定维持电压Uo₀，而且是放大电路进入放大区时的基准电压。

从上面分析看出：正是由于二极管D的接入，调速电路输出电压Uo被限制为不低于二极管D在这个电路中就是起到限制运放A反相输入端电位进而限制输出电压作用的，所以本发明把这个二极管称作限位二极管。

风扇变速起始点的设置随着温度升高，热敏电阻RT阻值减小，下降，当温度略高于设定温度t₁时；运放输出电压升高，三极管电流增大，输出电压Uo升高，限位二极管因两端电压逆转退出导通状态，与限位二极管并联的负反馈电阻R4进入工作状态。由此可见，当温度t＝t₁，即当时，就是工作状态转折点，也即风扇从维持运转方式转为变速运转方式的起始点；选择电路参数，使在温度t＝t₁时成立，就确定了这个转折点；R1、R2阻值已经确定，可改变的只有RT、R3，选择热敏电阻RT，根据热敏电阻生产厂家提供的数据，查找RT在温度t₁时的阻值RTt₁，将RTt₁代入上式，得并由此求得：

$R3={\mathrm{RTt}}_1\frac{R1}{R2}$

变速运转工作原理  二极管D被反向偏置退出导通状态后，负反馈电阻R4进入工作状态，调速电路进入了具有深度负反馈的线性放大区；运放同相输入端是基准电压，运放反相输入端是含热敏电阻RT的温度检测电路，在温度t1～t2区间，运放输出电压随温度升高而升高，随温度降低而降低，这个电压送至功率推动三极管BG，BG推动风扇变速运转。

最高转速转换点的设置  当温度达到一个较高的温度t2时，风扇必须全速运转为设备提供最大风量。从变速运转状态到全速运转状态的转换是通过选取调速电路闭环电压增益KF来实现的，见说明书附图3，这只需要改变反馈电阻R4的阻值就可以确定。

这个实施例电路输出特性完全符合说明书附图1的曲线，不足的是受运放输出电压摆幅限制，最高输出电压不能达到接近电源电压V_CC；运放采用LM358，在12V电源电压下Uomax能达到10V。

第2实施例电路分析

见说明书附图4，利用运放LM358输出电压摆幅向负方向摆幅更大，改用PNP三极管做功率推动三极管，在12V电源电压下Uomax能达到10.5V。

第3实施例电路分析

见说明书附图5，为了使Uomax接近电源电压V_CC，功率推动电路改为共发射极电路；这时的Uomax＝V_CC-V_CE(sat)，V_CE(sat)为功率推动管的集电极-发射极饱和压降；Uomax非常接近电源电压。该实施例电路工作点设置公式如下：

1.设置维持工作电压Uo₀

${\mathrm{Uo}}_0=V_{\mathrm{CC}}\frac{R1}{R1+R2}-V_F,$ 式中：V_F-二极管正向工作电压；

$\frac{R2}{R1+R2}=\frac{{\mathrm{Uo}}_0+\mathrm{VF}}{\mathrm{VCC}};$

2.设置变速运转起始工作点

$R3={\mathrm{RTt}}_1\frac{R1}{R2},$ 式中：RTt₁-温度t₁时RT的阻值；

3.设置变速运转到最高转速转换工作点从热敏电阻生产厂家提供的数据查找温度t₁、温度t₂时RT的阻值RTt1、RTt2；由下面实用公式确定R4：

$R4=(1-\frac{{\mathrm{Uo}}_0}{\mathrm{VCC}})\frac{{\mathrm{RTt}}_a\·R3}{{\mathrm{RTt}}_1-{\mathrm{RTt}}_2}$    式中： ${\mathrm{RTt}}_a=\frac{{\mathrm{RTt}}_1+{\mathrm{RTt}}_2}{2};$

输出端有电容C与直流风扇并联，用来吸收直流风扇内部换相时产生的反抗电动势，减弱在功率推动电路输出端产生的脉冲电压，避免脉冲电压的高频成分对调速电路的影响。

第4实施例电路分析

见说明书附图6，这是一个提供给高电压直流风扇工作的电路，风扇工作电压高，因此将调速电路供电与风扇供电分开，调速电路由V_CC1供电，风扇由V_CC2供电。为给高压风扇提供足够的推动功率，由BG1、BG2及电阻R5、R6组成复合功率推动电路。由于输出端电压高，限位电路不能采用二极管接入的方式，否则会造成调速电路的损坏；在该实施例电路中用电阻R7、R8、运放A2及二极管D组成复合限位电路，R7、R8分压把输出端电压信息折算到运放A2，经过A2阻抗变换，再经二极管D接到运放A1同相输入端。也可用一只NPN三极管同时替换下运放A2和二极管D，其基极接R7、R8分压点，集电极接V_CC1，发射极接运放A1同相输入端，效能等同。

本发明公开了4个实施例电路，对工作原理进行了详细的分析，并提供了电路设置方法和计算公式，其用意在于使本领域任何技术人员都能理解并能使用本发明，并非用于限制本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种易于设置工作点的风扇温控调速电路，包括：用运算放大器作放大器件；两只电阻从电源分压，中点接在运放的一个输入端为其提供偏置，同时用以设置放大电路基准电压；热敏电阻与一只电阻从电源分压，中点接在运放另一个输入端为其提供偏置，同时把热敏电阻随温度变化其阻值变化转化为电压变化提供给这个输入端；运放的输出端接功率推动电路；功率推动电路的输出端接直流风扇；负反馈电路一端接在功率推动电路输出端，或接在能体现功率推动电路输出端电压变化的电路点，另一端接运放接有温度检测电路的输入端；直流风扇并联有抑制脉冲电压的电容；其特征是：有一限位电路；

2.如权利要求1所述易于设置工作点的风扇温控调速电路，其特征在于：所述限位电路可以是具有单向导电特性的单个元件，也可以是含有单向导电特性元件的多个元件组合；

3.如权利要求1所述易于设置工作点的风扇温控调速电路，其特征在于：所述限位电路至少有两个端子，一个端子接在功率推动电路输出端，或接在能体现功率推动电路输出端电压变化的电路点，检测输出端电压变化，另一个端子接在运放接有温度检测电路的输入端，控制这个输入端的电压，配合其它电路为风扇提供维持运转电压。