Лечение треска \ вибраций мотора вентиляторов GlacialTech SilentBlade GT1225xBDL 

 

1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Моторы современных вентиляторов постоянного тока, используемых в системах охлаждения компьютеров условно можно разделить на схему управления электродвигателем и индукторную машину. Индукторная машина включает в себя ротор и статор. Ротор это кольцевой постоянный магнит, закрепленный на крыльчатке, а статор - четырехполюсный (гораздо реже — шестиполюсный) индуктор.

Поэтому для конкретизации далее и будем говорить о моторах с четырехполюсным индуктором.

Итак, вращение крыльчатки вызывается импульсам магнитного поля, дважды за оборот толкающим крыльчатку.

При каждом изменении направленности магнитного поля, крыльчатка испытывает ощутимый рывок, приводящий к возникновению вибраций в конструктивных элементах вентилятора.

Чем резче происходит изменение магнитного поля, т.е. круче фронт и срез управляющих сигналов, тем сильнее рывки крыльчатки, богаче спектральный состав вибраций, больше амплитуда высокочастотных составляющих и, следовательно, жестче, резче и звонче “голос” мотора.

А, уж если в составе управляющих сигналов при запирании ключевых элементов появляется выбросы (переколебания) обратного напряжения на катушках мотора, то в составе вибраций появляется звонкий "цокот, стрекот или треск" похожий на стрекот спортивного велосипеда, движущегося накатом.

Для уменьшения амплитуды вибраций и предотвращения треска в вентиляторах постоянного тока используется так называемая "мягкая" коммутация.

Разработчики микросхем для электроприводов моторов вентиляторов предусматривают специальные меры для создания управляющих сигналов с растянутым фронтом и срезом.

Обычно для “сглаживания” управляющих импульсов используется процесс заряда и разряда конденсаторов довольно большой емкости.

Отсутствие каких-либо выбросов, резких фронтов или срезов в составе управляющих сигналов для коммутации обмоток двигателей позволяет значительно снизить вибрации и резонансные явления в вентиляторах.

Однако далеко не каждый вентилятор обладает низким уровнем вибраций и шумов. Обычно в этом виноваты упрощения всхемотехнике моторов, экономия на радиоэлементах и материалах.

Эта экономия часто приводит к тому, что в электроприводе остаются только те элементы, без которых он просто не сможет работать. Остальные же, в том числе и элементы для “сглаживания” управляющих импульсов, например, во многих китайских моторах просто не впаиваются, хотя для них на платах даже отверстия предусмотрены. Бывают и такие экзотические варианты, когда мотор собирается совсем не по той схеме, для сборки которой предназначена используемая печатная плата.

Ярким примером такого подхода к созданию моторов служат электроприводы вентиляторов GlacialTech SilentBlade GT1225EBDL-1 и его “брата близнеца” GlacialTech SilentBlade GT12252BDL-1.

2. МОТОРЫ ВЕНТИЛЯТОРОВ GlacialTech SilentBlade GT1225xBDL

Моторы собраны на печатной плате, предусматривающей распайку схемы управления двухобмоточным мотором, например, на широко распространенной ИМС ATS277 (восстановлено по печатной плате). “Родная” схема GlacialTech SilentBlade GT1225EBDL-1 приведена на рис. 1.

Рис. 1

Эта ИМС имеет выходные ключи, собранные по схеме с открытым коллектором. Для управления магнитным полем индуктора управляющая схема поочередно подключает то одну, то другую обмотку к источнику питания.

В этой для “смягчения” коммутации предусмотрены специальные последовательные RC цепочки R1C1, R2C2.

Но славные китайские умельцы упростили схему. Они заменили ИМС, имеющую выходные ключи с открытым коллектором, на ИМС FTC S319, у которой в отличие от многих других аналогичных ИМС используются выходные ключи с активной нагрузкой. Это обстоятельство и позволяет создавать однообмоточные моторы. В них изменение направления магнитного поля происходит за счет смены полярности напряжения всего на одной обмотке мотора (рис.2).

Рис. 2

Часть элементов при такой модернизации оказались попросту “лишними”. В первую очередь это касается элементов для “смягчения” коммутации.

В результате коммутирующие сигналы на выходах ИМС (на схеме точки А и В) имеют практически прямоугольную форму с очень крутым фронтом и срезом (рис. 3).

Рис. 3

Судя по форме сигнала выбросы обратного напряжения на катушке мотора, видимо обрезаются элементами, входящими в состав ИМС. Явно слышны как треск, так и рокот мотора.

3. “ЛЕЧЕНИЕ” ТРЕСКА/ВИБРАЦИЙ МОТОРА

Попробуем сгладить коммутирующие импульсы самым простым и распространенным способом. Подключим в схему управления между выходами ИМС и корпусом или минусом питания "смягчающие" коммутацию конденсаторы С (рис.4).

Рис. 4

Наиболее часто используются конденсаторы емкостью 2,2 мкФ или 4,7 мкФ. Вот и начнем с этих значений.

 

Рис. 5

В результате, хотя форма коммутирующих сигналов и осталась практически прямоугольной (рис. 5), треск пропал, рокот несколько уменьшился. Гул крыльчатки почти не уменьшился. Пойдем дальше. Ведь хочется тишины. И подключим конденсатор емкостью 47 мкФ, а потом и 220 мкФ.

 

Рис. 6

Ну, наконец-то форма коммутирующих сигналов стала сглаживаться (рис. 6).

И, как результат, со "смягчающими" коммутацию конденсаторами 47 мкФ работа мотора стала с трудом улавливается только с расстояния в несколько сантиметров. Гул крыльчатки несколько уменьшился. При прослушивании же вентилятора прижатого торцом корпуса вплотную к уху рокот мотора хорошо различим. А это может стать причиной возникновения в системном блоке структурных шумов.

Со "смягчающими" коммутацию конденсаторами 220 мкФ несколько возрос период коммутирующих сигналов (снизились обороты мотора). Однако работа мотора стала улавливается только при прослушивании вентилятора прижатого торцом корпуса вплотную к уху. Гул крыльчатки еще чуть уменьшился.

Прекрасный результат! Но вентилятор поработал немного и остановился. Через десяток секунд опять включился на некоторое время, потом остановился и т.д.

Срабатывает защита от перегрева ИМС. И не мудрено, ведь зарядно-разрядные токи "смягчающих" коммутацию конденсаторов в моменты открывания-закрывания ключей ограничиваются, по сути, только мизерными  сопротивлениями открытых транзисторов и активными сопротивлениями электролитических конденсаторов. Поэтому эти токи могут достигать нескольких ампер и более. А при емкости "смягчающих" коммутацию конденсаторов в 220 мкФ время заряда-разряда их (суммарная длительность фронта и среза коммутирующего сигнала) достигает приблизительно трети от периода импульса. Вот и перегревается ИМС от “непосильного труда”.

Надо облегчать режим работы. Попробуем уменьшить зарядно-разрядные токи включением последовательно с выходами ключей ограничительных резисторов R (рис. 7).  

Рис. 7

Чтобы сильно не уменьшались обороты сопротивление их, пожалуй, не должно превышать 20…25 % от сопротивления обмотки мотора.

И если сопротивление обмоток моторов вентиляторов GlacialTech SilentBlade GT1225EBDL-1 и GT12252BDL-1 составляет 90…100 Ом, то сопротивления по 10 Ом вполне подойдут.

Рис. 8

В результате увеличения выходного сопротивления ключей на 10 Ом, по сравнению с сигналами без ограничительных резисторов, чуть уменьшилась амплитуда коммутирующих сигналов на обмотке мотора (на схеме точки А и В), да интенсивней “переколебательный процесс” - чуть меняется амплитуда сигнала на вершине импульса и в течение паузы. Совсем немножко уменьшились обороты.

Но, главное, осталась практически неизменной крутизна фронта и среза.

Опять же попробуем сгладить коммутирующие импульсы. Только теперь "смягчающие" коммутацию конденсаторы будут включаются между точками соединения резисторов R с обмоткой мотора и корпусом или минусом питания (рис. 9).

Рис. 9

Начнем опять с емкостей 2,2 или 4,7 мкФ.

 

Рис. 10

Теперь влияние на длительность фронта и среза, а так же на снижение рокота более заметно. Пойдем далее. Подключим конденсатор емкостью 47 мкФ, а потом и 220 мкФ.

 

Рис. 11

Теперь со "смягчающими" коммутацию конденсаторами 47 мкФ даже с расстояния в несколько сантиметров работа мотора практически не улавливается. Слышен только ослабленный гул крыльчатки. Но обороты начинают уменьшаться.

И со "смягчающими" коммутацию конденсаторами 220 мкФ работа мотора стала стабильной. Мотор больше не останавливается! Обороты еще меньше.

Увеличим сопротивление ограничительных резисторов R до 33 Ом.

Рис. 12

В результате увеличения выходного сопротивления ключей на 33 Ом, опять уменьшилась амплитуда коммутирующих сигналов на обмотке мотора (на схеме точки А и В), да еще интенсивней “переколебательный процесс” - сильнее меняется амплитуда сигнала на вершине импульса и в течение паузы. Падают обороты.

Но, главное, опять надо сглаживать управляющие сигналы. Подключим по очереди конденсаторы емкостью 2,2 мкФ, 4,7 мкФ, 47 мкФ и 220 мкФ

 

 

Рис. 13

Обороты еще уменьшились. Но теперь мотор работает настолько тихо, что подключение емкости более 47 мкФ, пожалуй уже не оправдывается. Ну, может только если душа требует большего.

Увеличим сопротивление ограничительных резисторов R до 100 Ом.

Рис. 14

Опять падают обороты. Опять уменьшилась амплитуда коммутирующих сигналов на обмотке мотора (на схеме точки А и В), да и еще интенсивней “переколебательный процесс” – еще сильнее меняется амплитуда сигнала на вершине импульса и в течение паузы.

Будем опять сглаживать управляющие сигналы. Подключим по очереди конденсаторы емкостью 2,2 мкФ, 4,7 мкФ, 47 мкФ и 220 мкФ

 

 

Теперь мотор уже при емкости 47 мкФ работает настолько тихо, что и душа вряд ли потребует большего.

Однако обороты падают настолько, что полный период управляющего сигнала при емкости 220 мкФ уже не помещается на экране осциллографа. Приходится вдвое увеличивать период развертки.

 Для удобства сравнения и выбора решения о номиналах элементов результаты исследований сведены в таблицу (правда, уровни шумов отсутствуют, измерять нечем).

Примечание. Все исследования проводились при номинальном напряжении питания вентиляторов 12 В. Во время поведения всех экспериментов заметного роста температуры обмоток, магнитопроводов и конденсаторов замечено не было. 

Таблица 1: Сводная таблица результатов.

 

4. МОДЕРНИЗАЦИЯ МОТОРОВ В КАРТИНКАХ

Итак, имеем два вентилятора. Один из них GT1225EBDL-1 новый, свежий и фотогеничный, приобретенный специально для этих съемок работы. А второй GT12252BDL-1 старый достаточно замученный и нефотогеничный. По возможности фоткать придется только новый.

 

Рис. 15

Первым делом убеждаемся, что моторы собраны на ИМС FTC S319. Ее можно разглядеть в щёлке между крыльчаткой и основанием корпуса, на котором крепится мотор вентилятора.

Рис. 16

Потом возьмемся за разборку. Это самое сложное. Можно сломать-потерять.

Начнем с самого легкого, со снятия этикетки и удаления пробки, скрывающей подшипники от пыли.

 

Рис. 17

В новом моторе с подшипниками скольжения видим металлическую пружинную шайбу, удерживающуюся на оси только за счет сил трения.

Рис. 18

С помощью тоненькой отвертки разжимаем шайбу и снимаем с вала. Эта операция требует некоторой сноровки, и поначалу на нее уходит немало времени. Кроме того, шайба так и норовит скакнуть в неизвестном направлении. Под пружинной шайбой находятся еще пластмассовая резиновая и опять пластмассовая шайбы.

Рис. 19

Надавливаем на ось и вытаскиваем крыльчатку. Она держится только силами магнита.

В старом моторе с шариковыми подшипниками видим пластмассовую разрезную шайбу (обычно – белого цвета) установленную в паз на валу.

Рис. 20

С помощью скальпеля, шила или тоненькой отвертки придерживаем эту шайбу. Другим аналогичным инструментом подцепляем ее в районе разреза и снимаем ее. Эта операция требует некоторой сноровки, и поначалу на нее уходит немало времени. Кроме того, эта шайба отличается еще более скакучим норовом. Не упустите ее.

Надавливаем на ось и вытаскиваем крыльчатку. Она держится только силами магнита и трением между валом крыльчатки и внутренним кольцом подшипника.

Под крыльчаткой нового вентилятора видим мотор, закрепленный на основании корпуса. Для сравнения рядом положен мотор со старого вентилятора. Они похожи как близнецы.

Рис. 21

Далее снимаем мотор. Это самая сложная и червеватая поломками операция.

Тут необходимо одной рукой удерживать основание вентилятора, а другой раскачивая мотор вращательными движениями вправо-влево снять его с оси.

Так как этот процесс требует усилия двух рук, то сфоткать его не удалось.

Кроме того, в этих двух вентиляторах снять моторы получилось без использования каких-либо инструментов, хотя так бывает далеко не всегда.

Разделить же мотор и корпус не удается, так как один из разъемов больше отверстия на корпусе.

Рис. 22

Этот разъем можно откусить, вытащить контакты или оставить как есть, и выполнять все последующие операции с болтающимся на проводах корпусом мотора.

Наконец-то все, что требуется разъединено. Разборка закончена. Мотор в руках. Разглядим его поподробнее.

Вот она основа мотора – уже знакомая  ИМС FTC S319.

Рис. 23

Мотор однообмоточный. Обмотка имеет только два вывода.

Рис. 24

 Тахометр состоит всего из трех элементов. Два резистора и транзистор.

Рис. 25

Все, больше на плате ничего нет, только проволочная перемычка, да места и отверстия под не распаянные элементы.

Рис. 26

Перед началом переделок проверим на всякий случай у моторов сопротивление обмоток.

 

Рис. 27

У нового сопротивление оказалось около 89 Ом, а у старого, переделанного несколько ранее, около 100 Ом. Разброс в 10…15 % вполне приемлем.

Модернизацию следует начать с удаления проволочной перемычки. Ее можно выпаять или выкусить бокорезами.

Рис. 28

Далее на печатной плате следует в указанном месте перерезать проводник и распаять два малогабаритных резистора с рассеиваемой мощностью не менее 0,125 Вт и сопротивлением 10 Ом.

Рис. 29

Потом на печатной плате распаиваются два конденсатора. Причем хочется, чтобы емкость была не менее 220 мкФ. Однако выбор конденсаторов дело непростое. Почему? Да потому чтобы жизнь их была легкой и долгой желательно выбрать их с рабочим напряжением вольт эдак в 50. Ну, на край не менее 25 вольт.

Дааа, а желаемый конденсатор 220 мкФ на 50 В имеет такие размеры, что его и одного в мотор некуда засунуть.

Рис. 30

И максимум, что помещается это только 47 мкФ на 25 В. Вот их и распаяем, т.к. развешивать их снаружи мотора на проволочках неохота.

 

Рис. 31

Осталось установить мотор на место, собрать вентилятор.

 

Рис. 32

И наслаждаться тишиной творенья рук своих….

Ссылки по теме: