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Riesame delle opzioni di controllo e protezione per le ventole in c.c.

Di Jeff Smoot, VP of Apps Engineering and Motion Control presso CUI Devices

Come dispositivo di gestione termica diffuso e ampiamente implementato, le ventole in c.c. possono essere utilizzate singolarmente, in serie o in parallelo per fornire il raffreddamento per convezione ad aria forzata. La loro versatilità e il loro funzionamento relativamente semplice le hanno rese per molti anni un'ottima scelta per migliorare il profilo termico di un'applicazione. Secondo la fisica di base, l'aria in movimento prodotta dalle ventole è efficace per raffreddare i componenti dato che assorbe il calore e lo elimina dal dispositivo da dissipare. Tuttavia, la loro efficacia è influenzata da diversi fattori e gli ingegneri possono avvantaggiarsi conoscendo meglio le caratteristiche e le opzioni disponibili per le ventole in c.c. che ne migliorano l'affidabilità e l'efficienza.

Schema del raffreddamento per convezione naturale e per convezione ad aria forzataFigura 1: Il raffreddamento per convezione naturale e per convezione ad aria forzata (Immagine per gentile concessione di CUI Devices)

Per iniziare il processo di selezione delle ventole in c.c., un ingegnere dovrà eseguire alcune analisi termiche di base per calcolare il flusso d'aria minimo richiesto. Una tipica analisi termica può includere la modellazione delle fonti di calore, delle condizioni ambientali e dell'aumento della temperatura. Per garantire una soluzione adeguata però dovranno essere considerati anche altri fattori, come le dimensioni della ventola, il suo orientamento e il percorso del flusso d'aria all'interno dell'applicazione. Il blog di CUI Devices dedicato a "Capire le nozioni di base di ventilazione per la corretta selezione di una ventola in c.c." fornisce altri dettagli sull'analisi termica e sul processo di selezione.

Dopo aver completato l'analisi termica e aver dimensionato e scelto la ventola corretta, non resta che alimentarla e metterla in funzione, giusto? Se il funzionamento a tempo pieno di una ventola può servire al suo scopo in determinate situazione, il raffreddamento continuo ad aria forzata non è generalmente una soluzione efficiente dal punto di vista energetico o nel lungo termine. Le odierne ventole in c.c. offrono ai progettisti una suite di opzioni di controllo, monitoraggio e protezione per migliorare le loro capacità di gestione termica. Il resto di questo articolo parlerà di queste caratteristiche, in modo che i progettisti possano beneficiare di tecniche di controllo delle ventole più avanzate.

Ciclaggio on/off

Come già detto, il funzionamento a tempo pieno delle ventole manterrà certamente freddi i componenti termosensibili, ma ignora la potenza che consuma e il fatto che le ventole hanno parti in movimento con una vita operativa non infinita. Quando sono in funzione, le ventole producono anche un rumore udibile che potrebbe essere indesiderato in una varietà di applicazioni e ambienti.

L'accensione/lo spegnimento di una ventola in base a un setpoint di temperatura è un approccio alternativo che può attenuare alcuni degli svantaggi del funzionamento continuo. La tecnica di controllo on/off delle ventole consente di risparmiare energia limitando il tempo di funzionamento, di ridurre il carico sui componenti in movimento e di attenuare il rumore udibile quando la ventola si spegne nel momento in cui la temperatura scende al di sotto del setpoint.

Tuttavia, il controllo on/off delle ventole è un approccio troppo semplicistico per il raffreddamento ad aria forzata e porta con sé una serie di svantaggi. In primo luogo, la tecnica di controllo on/off introduce cicli di caldo e freddo nei componenti termosensibili. Il ciclaggio termico può essere dannoso per i componenti critici o anche peggio rispetto al funzionamento a temperature costantemente elevate. Ciò è dovuto al fatto che il ciclaggio termico crea differenze nei coefficienti di temperatura che causano ulteriori sollecitazioni sui materiali e sui giunti di saldatura, portando a guasti prematuri.

Poi va considerato il fattore dell'inevitabile sovraelongazione termica. Questo è il ritardo tra l'accensione della ventola e il momento in cui l'aria forzata che produce inizia a raffreddare. Durante questo lasso di tempo i componenti possono surriscaldarsi, a meno che il setpoint "ventola accesa" non venga abbassato. Inoltre, abbassando il setpoint, si aumenta il tempo di accensione della ventola e del rumore udibile. Infine, per evitare l'accensione e lo spegnimento rapidi a valori prossimi al setpoint, spesso noto come 'vibrazione', sarà necessario implementare l'isteresi.

Il grafico seguente aiuta ad illustrare il dilemma della sovraelongazione termica causata dal ritardo termico nelle applicazioni di controllo on/off delle ventole. Questo grafico traccia la temperatura di setpoint desiderata con un cambio di passo (azzurro), insieme al ciclo di accensione/spegnimento della ventola (verde) e la temperatura effettiva (blu scuro).

Schema del ciclo di accensione/spegnimento della ventola che può portare a una sovraelongazione termica e a un ritardoFigura 2: L'accensione e lo spegnimento della ventola può portare a una sovraelongazione termica e a un ritardo (Immagine per gentile concessione di CUI Devices)

Le opzioni di controllo delle ventole a oggi

Le odierne ventole in c.c. offrono ai progettisti una serie di opzioni di controllo e di protezione per sistemi di gestione termica perfezionati. Questi progetti avanzati portano il controllo on/off di base delle ventole a un nuovo livello di prestazioni, efficienza e affidabilità. Sono anche disponibili opzioni di protezione che rilevano i problemi prima che causino danni alla ventola e ai componenti che questa raffredda. Di seguito sono riportate alcune delle opzioni più comuni di controllo e protezione delle ventole:

Modulazione della larghezza di impulso

La modulazione della larghezza di impulso (PWM) è un metodo comune utilizzato per controllare e modificare la velocità della ventola in base alle diverse condizioni termiche. Il controllo a velocità variabile basato su PWM si traduce in una migliore efficienza operativa se abbinato ad algoritmi di controllo avanzati che possono adattarsi a dinamiche operative che abbinano la velocità della ventola al carico termico.

Anche il controllo on/off delle ventole può essere potenziato con questo metodo adottando strategie di controllo ad anello chiuso proporzionale-integrale-derivativo (PI e PID). Queste strategie aiutano ad evitare la sovraelongazione o la sottoelongazione termica nonostante le variazioni di carico, assicurando che il flusso d'aria mantenga le condizioni alla temperatura di setpoint desiderata.

Segnale contagiri integrato

Utilizzato per la retroazione a circuito chiuso e per il controllo più avanzato delle ventole, il contagiri integrato rileva e segnala la velocità di rotazione di una ventola misurando la frequenza di un segnale di uscita pulsato. Funge anche da sensore di blocco che avvisa l'utente se la ventola cessa di funzionare a causa di una perdita di potenza, un'ostruzione, ecc. Essere in grado di rilevare questi problemi il più presto possibile è un grande vantaggio per il funzionamento del sistema e consente di arrestare tempestivamente il sistema per proteggere i componenti termosensibili.

Protezione con riavvio automatico

La protezione con riavvio automatico rileva quando il motore della ventola non riesce più a ruotare e interrompe automaticamente la corrente di comando. In questo modo si protegge il circuito di comando della ventola e si segnalano al controller i problemi immediati dovuti all'interruzione della corrente di comando.

Rilevamento rotazione/sensore di blocco

Utilizzato per rilevare se il motore di una ventola è in funzione o è fermo, il rilevamento della rotazione/sensore di blocco è una protezione contro i problemi all'avvio o durante il funzionamento.

Riepilogo

Quando un'applicazione produce calore in eccesso, le ventole in c.c. sono una scelta comune per mantenere i componenti entro i loro limiti operativi e per migliorare la dissipazione termica. Se la selezione e il funzionamento continuo di una ventola dopo alcune analisi termiche di base è certamente un'opzione, alcune opzioni di controllo e protezione più avanzate possono offrire ai progettisti una maggiore durata ed efficienza operativa. CUI Devices offre un portafoglio completo di ventole e soffianti in c.c. in molti formati, flussi d'aria, velocità e controlli per semplificare la scelta.

Esonero della responsabilità: le opinioni, le convinzioni e i punti di vista espressi dai vari autori e/o dai partecipanti al forum su questo sito Web non riflettono necessariamente le opinioni, le convinzioni e i punti di vista di Digi-Key Electronics o le sue politiche.

Informazioni su questo autore

Jeff Smoot, VP of Apps Engineering and Motion Control presso CUI Devices

Articolo di Jeff Smoot di CUI Devices.