ШИМ-управление электровентилятором - 2, Принцип силыча, реализация - своя

Итак, идея силыча мне понравилась, реализация - не очень. В итоге сделал свое устройство, помещается в корпусе обычного реле, ставится вместо реле вентилятора на впрысковые вазы. Имеет дополнительный вывод, подключаемый к указателю температуры двигателя. Устройство в данный момент испытывается на собственной машине - и работает очень прилично.

Детали аппаратно/программной реализации:
- управляющий микроконтроллер - AVR tiny15;
- силовой ШИМ-ключ IRF2804;
- частота ШИМ - 200 Гц;
- обработка сигнала с датчика температуры: синхронизирована с ШИМ-сигналом, производится во время закрытого состояния ключа для исключения влияния падения напряжения на общем проводе; АЦП-преобразование производится раз в 640 мсек с записью в циклический буфер на 16 значений и усреднением; точность АЦП - 8 разрядов;
- диагностика - встроенным светодиодом с выводом в двоичном коде значения АЦП и слова состояния устройства;
- установка порогов срабатывания - ручная, полуавтоматическая, автоматическая. Пороги срабатывания хранятся в энергонезависимой памяти реле. ручном режиме верхний и нижний пределы задаются поднесением магнита к корпусу реле по достижении желаемой температуры двигателя; В полуавтоматическом нижняя температура задается магнитом, а верхняя фиксируется в момент включения вентилятора контроллером ЭСУД; В автоматическом верхняя температура фиксируется в момент включения вентилятора контроллером ЭСУД, а нижняя берется как показания АЦП в этот момент * 1.25;

Устройство полностью имитирует штатное реле - в несконфигурированном состоянии, или с неподключенным к датчику температуры выводом управляется как обычное реле по команде контроллера ЭСУД.

Кидайте помидоры!

Идею управления вентилем радиатора ШИМом мне предлагали год назад. Тема нелохая, если цена адекватная. Главный аргумент от них- существенная экономия топлива, что под большим сомнением.

Кстати, у них предполагалась установка не только на инжектора

Изящно!

Т.е., если я правильно понял, в случае невмешательства человека с магнитом будет активен автоматический режим (по умолчанию)? Как перейти с однажды выбранного ручного режима на автоматический?

Это сообщение отредактировал hash - 25.07.2006 - 01:34

Изначально устройство находится в несконфигурированном состоянии - т.е. без установленных верхнего и нижнего порогов и работает как обычное реле только по сигналу включения вентилятора от ЭУСД. Если оба порога в устройстве установлены (неважно как - вручную, полуавтоматом или автоматически) - то чтобы выставить пороги заново, надо при поднесенном магните включить зажигание. Конфигурация стирается, устройство переходит в тестовый режим - дает 0, 25, 50, 75, 100% ШИМ на вентилятор с периодом 5 сек на каждое значение. По выходу из тестового режима при следующем включении зажигания устройство будет находится в исходном (несконфигурированном) состоянии. А дальше - либо человек с магнитом, либо дождаться включения вентилятора ЭСУДом - и пороги опять установлены. Я не очень уверен насчет 1.25 при автоконфиге - надо считать показания АЦП при 90С и 105С (по прибору) и поточнее установить, чтобы для массового потребителя вообще исключить человека с магнитом

Экономия топлива не может быть существенной, скорее всего ее вообще не будет - т.к. чтобы снять определенное кол-во тепла с теплообменника (читай, уменьшить его тепловое сопротивление металл-воздух), надо интегрально прогнать определенное кол-во воздуха - т.е. совершить определенную работу, затратив энергию = мощность * время. На малых оборотах вентилятора мощность будет меньше, зато время больше. Все зависит от функции "КПД вентилятора (скорость потока)/подводимая мощность" и "тепловое сопротивление радиатор-воздух/скорость потока воздуха"

Разработка была сделана как способ проверить:
a) можно ли вместить подобное устройство в стандартный корпус реле;
попробовать tiny15 в ШИМ-режиме
с) убедиться, что IRF2804 очень хороший транзистор и практически не рассеивает мощности при коммутации сильноточной нагрузки (радиатор-то ставить внутри реле негде!)
d) освежить навыки программированияч микроконтроллеров (когда-то писал под 8051) - теперь все стало проще, быстрее, меньше и лочше

Транзистор греется и корпус Силыча является радиатором с рассеиваемой мощностью 10-15 Вт.
Хоть его сопротивление примерно 4 милиОма, а жигулевски вентилятор потребляет 10А, тогда транзистор должен рассеять 4ВТ. Это для корпуса транзистора много. Нужен радиатор.

по даташиту сопротивление открытого канала 2 миллиома, а не 4. И даже если было бы 4 - Вы неправильно посчитали - P = I^2 * R = 10 * 10 * 0.004 = 0.4 Вт. Радиатор НЕ НУЖЕН. В реальности транзистор не греется (чуть теплый). Небольшой теплоотвод от корпуса достигается непосредственной припайкой контакта стока (корпус в S-исполнении) к медному выводу внутри реле. Этого оказалось достаточно.


Это сообщение отредактировал gleb - 2.08.2006 - 13:18

Он сильно греется на переходных режимах. ШИМ же регулирование а постоянно открытый канал. Проверено на сотнях машин.

Безусловно, на переходных режимах на канале рассеивается некоторая мощность. Для ее уменьшения надо снижать частоту ШИМ, чтобы уменьшить время переходного режима относительно открытого и закрытого состояний. Практически в моей конструкции не наблюдается нагрева ключа при скважности, близкой к максимальной (наиболее тяжелый режим).

Щас прикину теоретически по-максимуму:
Средний ток вентилятора пусть будет 16А (в реале - 12), а сопротивление канала - 4мОм (по даташиту - 2мОм).
Примем максимальную скважность за близкую 100% - тогда средняя рассеиваемая мощность за цикл без учета переходного режима - 16*16*0.004 = 1.024Вт - т.е. 1Вт.

Теперь посчитаем рассеиваемую мощность включения при чисто активной нагрузке (в реальности при индуктивной нагрузке мощность меньше т.к. время нарастания тока в индуктивности больше времени фронта, а при выключении ключа ток через ключ практически не идет - накопленная в индуктивности обмотки энергия рассеивается шунтирующим обмотку диодом):

Приведенная емкость затвор-исток пусть будет 10нФ (по даташиту в 2 раза меньше). Затвор открывается через резистор 1кОм на +14В. Транзистор входит в насыщение при Uзи порядка 7В - для удобства прикинем, что Tфронта=RC ( заряд до 0.66U). Т.е. длительность фронта будет около 10^-8 * 10^3 = 10^-5 сек - т.е. 10мкс.
Закрывается транзистор шунтированием затвора управляющим биполярным транзистором. Для упрощения примем, что закрывается он так же разрядом емкости затвор-исток через резистор 1кОм - т.е. время спада равно времени фронта (в реале - быстрее).

Временем срабатывания самого канала пренебрежем - по даташиту это десятки наносекунд.

Теперь,

рассеиваемая за период ШИМ мощность включения будет примерно U^2/(2*R) * (Tфронта * 2/Tпериода).

Сопротивление нагрузки при 14В и 16А будет порядка 0.8Ом

Итого при частоте ШИМ 200Гц (период 5 мс) получим мощность переходных процессов: 14*14/(2 * 0.8) * (2*10^-5 / 5*10^-3) = 49 * 10^-2 Вт. - то есть 0.5 Вт.

Общая рассеиваемая мощность будет порядка 1.5 Вт на корпус, что многовато при отсутствии радиатора и при тепловом сопротивлении кристалл/окр. среда порядка 50 C/Вт приведет к его нагреву на 75 градусов, что много. Однако учитывайте, что мы везде делали щедрые допущения в плюс, а транзистор имеет небольшой теплоотвод на вывод реле, поэтому в реальности транзистор нагревается на ощупь не более чем до 40-50 С.

Вопрос Силычу - какая у Вас частота ШИМ? По расчету, если в силыче скажем 2000Гц - то на переходных процессах рассеется 5 Вт - что уже не шутки.

Вывод: частота ШИМ должна быть минимально необходимой. Для вентилятора с большой инерцией будет достаточно наверное и 50Гц

Частота ШИМа- 6 или 12кГц, низкие частоты тоже пробовались именно из соображений минимизации активного режима транзистора. Вентилятор вращается со скоростью до 2000об\мин, желательно, чтобы хотя бы пара импульсов попадала на обмотку, пока по ней ползет щетка. Желательно также, чтобы частоты были выше звуковых (или ниже). А на 100гц вентилятор чудит, попробуйте на высоких частотах и на низких, сравните результаты, в СиличЪе предпочтение сделано в сторону стабильности, по крайней мере в текущей версии.
Нагрев транзистора действительно при лояльных температурах и режимах небольшой, сам ездил с открытой платой без теплоотвода, который корпус. Фото:
http://www.e1.ru/fun/photo/view_album.php?...b519e686&page=1
Совершенно другое дело, когда пробки при +35, под капотом в холодной пазухе +75, тепло от транзистора отводить крайне тяжело, дополнительно появляется нагрев конденсатора от повышенных пульсаций бортовой сети.
А в руках хорошего разработчика работают даже самые невозможные устройства

Частота управления моторчиком нагнетателя в автономках Вебасто ~2кГц.
Турбинки эти значительно оборотистее вентилятора радиатора и явно на ламель приходят не 2 импульса за проход щётки, однако никаких проблем это не вызывает.
Вебасто - это всё-таки солидная контора и абы-как делать не станет.

Вовсе необязательно. Тиристорные регуляторы коллекторных моторов на 220 В работают при 50 (читай 100 - полярность не важна) Гц. Да, на малых скважностях они дают пульсирующий момент - ну и черт с ним!
Я при 200 Гц не заметил никаких проблем - минимальная скважность у меня 20%, но при переходе 0-->20% раскрутка идет на 50% мощности в течение 0.6 сек. При 20% слышен звук модуляции, но только при неработающем двигателе. Звук мотора его заглушает.

У вас при 12кГц основные потери должны идти от фронтов управляющих импульсов - а IRF2804 логическими уровнями к сожалению не раскачивается. Нужен драйвер, лучше комплементарный. (Посмотрел сейчас фото модуля - вы действительно используете отдельный ШИМ-контроллер с встроенным комплементарным драйвером).

Низкая частота ШИМ в моем устройстве имеет еще одно преимущество - цикл АЦП преобразования идет во время закрытого состояния ключа (и времени этого хватает с запасом) - т.к. в штатной проводке общий провод один, а контур тока при закрывании ключа через него не проходит (диод вынесен в разъем у вентилятора).

Опять, у меня другие условия - реле размещено в салоне - а там редко бывает
+75, особенно внизу.

Куда вам 1000мкФ? заменить резистор 1Ом диодом, за ним сразу керамику на 0.1, а электролит достаточно и 100 мкФ. Все провода желательно пропустить через ферриты. И будет счастье

Вот моя реализация в макете:
http://www.e1.ru/fun/photo/view_album.php?id=51121