Устройство внешнего обдува аудио- и видеоаппаратуры в мебельной стенке

Современную бытовую аудио- и видеоаппаратуру пользователи часто размещают в полузамкнутом пространстве, например, в отсеке мебельной стенки. Если устройств несколько (например, телевизор, DVD-проигрыватель, видеомагнитофон), при их одновременной работе температура окружающего воздуха может превысить допустимую для бытовой аппаратуры — как правило, +40 °С.
В статье описан блок термоконтроля, управляющий двумя "компьютерными" вентиляторами в отсеке мебельной стенки и предохраняющий размещенную там аппаратуру от перегрева.

О дополнительном внешнем обдуве бытовой аудио- и видеоаппаратуры я позаботился после того, как случайно дотронулся до соприкасающихся поверхностей DVD-рекодера и видеомагнитофона, поставленных один на другой в мебельной стенке. Ощутимый нагрев можно обнаружить даже в дежурном режиме, когда обмен воздуха практически отсутствует. Производители видео- и аудиоаппаратуры не рекомендуют ставить одни устройства на другие. Избежать перегрева удалось, поставив верхний аппарат на нижний через стойки высотой около 2 см. Однако оба эти устройства расположены над кинескопным телевизором в одном месте — в отсеке, предусмотренном во многих мебельных стенках. Для обеспечения вентиляции такое расположение аппаратуры не самое оптимальное. Измерения показали, что температура воздуха в глубине отсека может превышать комнатную на 13°С, — и это несмотря на три дополнительных вентиляционных отверстия диаметром по 60 мм в нижней части задней стенки отсека. Очевидно, что жарким летом температура в отсеке может превышать допустимую *40пС, установленную для большинства бытовой аппаратуры.
Для снижения перегрева было решено изготовить устройство для принудительного обдува внешних поверхностей аппаратуры с минимальным уровнем шума.

Рис.1

Схема разработанного блока термоконтроля приведена на рис. 1. Он управляет двумя компьютерными вентиляторами типоразмера 80*80 мм (12 В, 0,14 А), уставленными в заднюю стенку отсека мебельной стенки. — один на приток (внизу), другой на вытяжку (вверху), которые должны обеспечивать воздухообмен вблизи задних поверхностей аппаратуры, работая автономно. 

На фото рис. 2 показан пример размещения вентиляторов. Разумеется, мебельная стенка не должна вплотную соприкасаться со стеной помещения (должен быть зазор не менее 2...3 см). Включение и выключение вентиляторов происходит при достижении определенной температуры в наиболее горячей зоне отсека, в непосредственной близости к устройству, расположенному в верхней части "пирамиды" из аппаратуры. Вентиляторы могут работать некоторое время и после выключения аппаратуры. Чтобы не создавать лишний шум, их скорость вращения должна быть пропорциональна температуре в отсеке (Т )
Работа блока термоконтроля проиллюстрирована графиком на рис. 3, на котором показана зависимость выходного напряжения от температуры.

Рис.3	Рис.4

Основные технические характеристики устройства

Блок термоконтроля состоит из импульсного усилителя-стабилизатора постоянного напряжения (далее ИУС) на элементах DA1, VT1 —VT3 и порогового устройства с гистерезисом по напряжению на VT4, VT5. В качестве температурного датчика использован терморезистор R1 типа ММТ-1. За основу схемы ИУС взят импульсный стабилизатор, описанный в [1].
Работает устройство следующим образом.
При температуре окружающей среды менее 35 °С напряжение на выходе ИУС (на выводах конденсатора С1) — менее 12 В, интегральный стабилитрон DA2 и транзистор VT1 закрыты, и ИУС представляет собой иеинвертирующий усилитель постоянного напряжения с импульсным преобразованием, охваченный параллельной отрицательной обратной связью через резистор R7, с коэффициентом усиления К=1+(R7/R4)=12, выходное напряжение которого изменяется в зависимости от температуры среды практически по линейному закону (см. участок Ж—В на графике рис. 3).
При температуре окружающей среды менее 30 °С напряжение на выходе ИУС- менее 7 В, стабилитрон VD5 и транзисторы VT4. VT5 закрыты и подключенные к розетке XS1 вентиляторы обесточены.

При увеличении температуры сопротивление терморезистора R1 уменьшается, а напряжение на выходе ИУС увеличивается, которое можно определить по формуле

Uвых=Uo+Uвх[1+(R7/R4)]                    (1)

где Uвых— выходное напряжение устройства; Uo = 4,7 В  -  фиксированное напряжение на инвертирующем входе ОУ DA1 в точке соединения стабилитронов VD1 и VD2 (половина напряжения питания микросхемы DA1); Uвх — напряжение на входе устройства (на неинвертирующем входе ОУ DA1) относительно фиксированного.
При достижении температуры 30 °C стабилитрон VD5 и транзисторы VT5 и VTA последовательно открываются. Благодаря наличию положительной обратной связи через резистор R19, процесс открывания транзисторов VT5 и VTA происходит лавинообразно и на выходе устройства скачком появляется напряжение 7 В (см. участок А—Б на графике рис. 3), вследствие чего вентиляторы начинают работать на минимальных оборотах. Напряжение включения складывается из суммы напряжений на стабилитроне VD5 и переходе база—эмиттер транзистора VT5.

При дальнейшем росте температуры напряжение на вентиляторах плавно увеличивается и достигает 12 В при температуре 35 °C. При этом открываются интегральный стабилитрон DA2 и транзистор VT1, вследствие чего образуется дополнительная отрицательная обратная связь по напряжению через элементы HL2. DA2, R5, VT1, охватывающая ИУС, которая становится преобладающей по отношению к обратной связи через резистор R7. вследствие чего ИУС преобразуется в импульсный стабилизатор постоянного напряжения 12 В (см. участок В— Г на г рафике рис. 3). Светодиод HL2 начинает светиться, сигнализируя о достижении максимальных оборотов вентиляторов. Выходное напряжение при этом определяется по формуле

Uвых=2.5В [1+(R15/R14)]+UбэVT1,             (2)

где Uвых — напряжение на выходе устройства; 2,5 В — напряжение источника фиксированного напряжения в интегральном стабилитроне DA2; UбэVT1 — напряжение на эмиперном переходе транзистора VT1 (около 0,5 В).

Светодиод HL2 охвачен общей цепью ООС с интегральным стабилитроном DA2 через резисторы R14, R15, что позволило его "исключить" из формулы (2), тем самым значительно снизить влияние его дифференциального сопротивления на выходные характеристики стабилизатора.
При снижении температуры окружающей среды, при 35  °C, ИУС снова преобразуется в усилитель постоянного напряжения, а светодиод HL2 гаснет При дальнейшем снижении температуры, при напряжении 7 В, стабилитрон VD5 закрывается, однако обесточиеание вентиляторов происходит при выходном напряжении около 5 В и температуре около 28 °C из-за действия положительной обратной связи через резистор R19 (участок Д—Е на графике рис. 3).
Уровни напряжения включения (7 В) и выключения (5 В) выбраны с точки зрения надежного запуска вентиляторов и обеспечения их надежной работы при минимальном напряжении питания.
Значение напряжения обес-точивания вентиляторов можно определить по формуле

Uоткл=UбэVT5[1+(R19/R20)],                (3)

где Uоткл — напряжение отключения вентиляторов; UбэVT5 — напряжение база—эмиттер транзистора VT5 (около 0,6 В);
Пороговые значения выходных параметров блока термоконтроля (напряжение включения и выключения, максимальное выходное напряжение, крутизна зависимости ди/ДГС) можно изменять, подбирая или рассчитывая по приведенным выше формулам соответствующие элементы. Для облегчения данной процедуры на графике рис. 4 приведены зависимости изменения графика от изменения параметров элементов.

Устройство смонтировано на печатной плате из односторонне фольгированного стеклотекстолита, ее чертеж показан на рис. 5.

Блок собран в подходящем корпусе из-под сувенирной радиоточки, см. фото на рис. 6. Его вид со снятой верхней крышкой показан на фото рис. 7.

Вместо КР140УД708А допустимо установить КР140УД608. КР140УД8А-КР140УД8В, КР544УД1А, КР544УД2А, КР574УД1А, КР574УД1Б. Транзистор КТ973Б заменяем любым из этой серии, транзистор КТ816А — из серий КТ816, КТ814, а транзисторы КТЗЮ2Е — любыми из серий КТ3102, КТ342 (кроме индекса "А"). Вместо КТ315Г возможно применить КТ315В. КТ3102А. КТ3102Б.
Диод КД212Б и диодный мост КЦ405Е заменяемы любыми другими в своей серии. Светодиоды HL1 и HL2 — типа L-34 (3 мм), зеленого и красного свечения соответственно. Светодиод HL3 — голубого свечения ("сверхяркий"), размещен непосредственно на плате печатного монтажа, свет которого виден через вентиляционные отверстия корпуса устройства {на рис. 6 это видно). Оксидные конденсаторы С1 и С2 — К50-35 или их импортные аналоги. Терморезистор ММТ-1 с отрицательным температурным коэффициентом можно заменить другим аналогичным, например ММТ-4.
Накопительная катушка индуктивности L1 содержит 25 витков провода ПЭЛ-0.51 и помешена в броневой магни-толровод из двух чашек 414 с зазором около 0,2 мм (два слоя самоклеящейся бумаги). Технология ее изготовления и сборки подробно описана в |1]. Важно пропитать катушку лаком. Трансформатор питания — мощностью 8... 10 Вт с выходным напряжением 14...16 В при номинальной нагрузке. Плавкие вставки — ВП1-2 (для впаивания в печатную плату). Для подсоединения вентиляторов к блоку использован раэьем типа ОНЦ-ВГ(Х$1 на рис. 1).
Несмотря на малую мощность ИУС, на транзистор VT3 необходимо установить теплоотводящую пластину из алюминиевого сплава толщиной 1.5 мм и площадью около 4 см*\ Это обьясняется тем, что при работе ИУС в режиме стабилиззтора наличие ООС через резистор R7 несколько ухудшает динамические характеристики стабилизатора, снижая его КПД и вызывая тем самым дополнительный нагрев транзистора VT3. Если в качестве эксперимента изъять резистор R7. то при максимальной нагрузке на выходе устройства транзистор VT3 без теплоотвода на ощупь практически не нагревается, а при наличии резистора R7 ощущается значительный его нагрев
Терморезистор R1 конструктивно помещен в гильзу, сделанную из трубки телескопической антенны (см. рис 6) и соединен с блоком экранированным проводом длиной около 0,5 м, при этом экран соединен с плюсом питания микросхемы DA1, а гильза имеет гальваническое соединение с экраном. При необходимости применения проводника большей длины (например, несколько метров и более), для предотвращения выхода из строя микросхемы DA1 от наводок по входу (через вывод 3) в разрыв подводящего проводника, идущего к эюму выводу, следует включить резистор сопротивлением 100 кОм. На работе блока термоконтроля это не отразится.

Вентиляторы следует выбирать по возможности тихие. Если аппаратура при работе выделяет значительное количество тепла, следует применить более мощные вентиляторы, например, с размерами 120>120 мм, или увеличить их число. Если применить более мощный сетевой трансформатор и позаботиться об охлаждении транзистора VT3, максимальный ток нагрузки устройства можно увеличить до 0.8...1 А
Перед включением блока к его выходу подсоединяют эквивалент нагрузки с подключенным вольтметром, а движок подстроечного резистора R2 устанавливают в нижнее по схеме положение (против часовой стрелки до упора). После включения питания должен засветиться сеетодиод HL1. другие свето-диоды светиться не должны. Терморезистор R1 помещают в среду с температурой 30 С (можно, например, приблизить настольную лампу накаливания к герморезистору, контролируя температуру образцовым термометром). Для равномерности прогрева терморезистор и чувствительную часть образцового термометра следует расположить вплотную друг к другу и обмотать несколькими слоями ткани. После установления постоянной температуры движок резистора R2 вращают по часовой стрелке до момента зажигания светодиода HL3. при этом напряжение на выходе устройства должно быть около 7 В. После чего среду продолжают медленно (для равномерного прогрева) нагревать. При достижении температуры 35 ГС напряжение на выходе должно возрасти примерно до 12 В, а светодиод HL2 должен начать ярко светиться. При настройке следует учесть, что на крутизну зависимости ди/Д1°С может сказываться и разброс параметров конкретного экземпляра терморезистора R1. При дальнейшем увлечении температуры выходное напряжение должно оставаться практически постоянным. При снижении температуры напряжение на выходе устройства должно плавно снижаться, а при напряжении на выходе около 5 В и температуре около 28 "С нагрузка должна отключиться.
Предлагаемый блок термоконтроля возможно использовать также для регулировки скорости корпусных вентиляторов внутри компьютеров. В этом случае узлы и элементы сетевого блока питания (Т1. FU1, FU2. VD4, С2, HL1, R13), а также элементы стабилизатора (HL2, DA2, VT1. R5. R6, R14. R15) следует исключить, резистор R10 заменить на 300 Ом 0,125 Вт, а устройство запитать от шины *12 В компьютера. Теплоотвод для транзистора VT3 в этом случае не обязателен.

А. МОСКВИН, г. Екатеринбург

Радио. 2008, № 12, с. 16-18.

ЛИТЕРАТУРА
1 Москвин А. "Компромиссный" (цена/качество) импульсный стабилизатор. — Радио. 2003, № 7, с. 27. 28.