一种用于检测点温度变化时自动实时控制风扇转速的电路的制作方法

1.本发明涉及电力电子测量仪器技术领域，尤其是一种用于检测点温度变化时自动实时控制风扇转速的电路。


背景技术：

2.在电力电子测量仪器领域，诸如交流电源、直流电源、直流电子负载等仪器在设计时，其上功率管的热量需要用散热器去散热，散热需要用风扇，风扇的转速与散热器上的温度如何匹配是仪器设计需要解决的问题。
3.现有的传统方法是通过软件方式产生一个占空比可调的pwm波，来控制风扇的转速，pwm的占空比不能根据温度进行实时改变对风扇进行无极控制转速。pwm的占空比一般为固定几种方式，风扇的转速也是几种转速。响应速度也较纯硬件电路方法慢。风扇需选择带pwm控制引脚的风扇。由于软件产生的pwm占空比不能n多种，为了仪器的散热，大多数应用传统方法设计的仪器在未满载运行时，风扇风速往往已经达到最大，增加了仪器的噪音。


技术实现要素：

4.本发明要解决的技术问题是：提供一种用于检测点温度变化时自动实时控制风扇转速的电路，风扇转速根据检测点的温度进行实时响应变化的一种纯硬件电路，适用于一个至多个温度检测点。
5.本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种用于检测点温度变化时自动实时控制风扇转速的电路，包括，
6.积分电路，通过一个方波信号作为整个检测电路的一个固定输入信号，利用电容的充放电将方波信号转换为锯齿的抛物波形；
7.一级处理单元，连接积分电路，包括一个施密特触发非门以及一个与非门，积分电路的输出变为一个固定占空比的信号；
8.微分电路和电容充放电电路，与一级处理单元连接，微分电路将一级处理单元的输出变为脉冲波；电容充放电电路在脉冲波作用下输出锯齿波的抛物线波形；
9.比较器电路，连接微分电路和电容充放电电路和基础转速的设置电路和多个检测温度点的电路；
10.基础转速的设置电路，连接比较器电路，设置一个直流电压值；
11.多个检测温度点的电路，采用ntc负温度系数的温度传感器作为检测点的传感器；
12.合理衔接电路，分别连接微分电路和电容充放电电路以及比较器电路；
13.与非门电路，连接合理衔接电路，高电平时风扇正常调速；
14.光耦隔离电路，连接与非门电路，将地信号隔开，转为风扇控制端的地信号；
15.功率放大电路，连接光耦隔离电路；
16.驱动电路，连接功率放大电路，将波形的高电平信号从+5v换成风扇所需要的电压+24v的高电平信号；
17.转直流电路，连接驱动电路，将占空比的+24v方波信号转换成直流信号；
18.风扇连接电路，连接一个或多个风扇fan。
19.进一步的说，本发明所述的方波信号为100khz，14vpp的方波信号。
20.进一步的说，本发明所述的微分电路和电容充放电电路包括第二电容，所述的第二电容的一端连接第二与非门的输出端和第三二极管的正端，第二电容的另一端连接第二电阻的一端和第一三极管的基极；第一三极管的集电极连接第一二极管的负端，第一三极管的发射极接地；所述的第一二极管的正端连接第三电阻的一端和稳压管的负端，同时连接第三电容的一端和比较器的反向输入端；所述的第三电阻的另一端接+5v；所述的稳压管的正端接地。
21.进一步的说，本发明所述的比较器电路的输出占空比越大，转速越快。
22.进一步的说，本发明所述的基础转速的设置电路包括第四二极管，所述的第四二极管的正端连接第五电阻的一端和第六电阻的一端，第五电阻的另一端接地，第六电阻的另一端接+5v，第五电阻和第六电阻组成一个分压电路。
23.进一步的说，本发明所述的检测温度点的电路包括第五二极管，所述第五二极管的正端连接第七电阻的一端和第八电阻的一端以及ntc负温度系数的温度传感器的一端，第七电阻的另一端接地，第八电阻的另一端以及ntc负温度系数的温度传感器的另一端接+5v；第五二极管、第七电阻、第八电阻以及ntc负温度系数的温度传感器组成第一个温度检测点电路，其余温度检测点电路与第一个温度检测点电路相同，两个以上的温度检测点电路的波形电压由温度最高的那一路温度检测点电路决定。
24.本发明的有益效果是，解决了背景技术中存在的缺陷，
25.本发明实现了一种纯硬件电路，可以根据一个至多个检测点温度的变化，通过改变风扇两端的直流电压使得风扇实时响应无极转速控制；可设置一个基础转速(在一个检测起始温度点之前按此转速)；可设置一个检测的起始温度点(在检测起始温度点之后，转速随着检测起始温度点的升高而加速)；可设置一个终止温度点(这里指在终止温度点及以上温度时，风扇达到最大转速)；基础转速、起始温度点、终止温度点三个参数可根据实际情况进行调整；本发明可以根据检测点温度对控制风扇进行无极调速、响应速度快、风扇转速和检测点温度的匹配可以通过电路参数进行调整，使风扇在各个温度点的转速满足实际情况，整个风扇的控制过程无需软件的参与。
附图说明
26.图1是本发明的电路图；
27.图2-图6是图1中各关键点的波形图。
具体实施方式
28.现在结合附图和优选实施例对本发明作进一步详细的说明。这些附图均为简化的示意图，仅以示意方式说明本发明的基本结构，因此其仅显示与本发明有关的构成。
29.如图1-图6所示的一种用于检测点温度变化时自动实时控制风扇转速的电路，
30.r1，r2，r3，r4，r5，r6，r7，r8，r9，r10为电阻；
31.c1，c2，c3，c4为电容；
32.u1为施密特触发非门；
33.u2，u4为与非门；
34.q1，q2，q3为三极管；
35.d1，d2，d3，d4，d5，cr2为二极管；
36.cr1为稳压管；
37.u3为比较器；
38.10k ntc为负温度系数的温度传感器；
39.pc1为光耦；
40.q2为nmos；
41.l1为电感；
42.fan为风扇；
43.+5v是相对于ag地；u1，u2，u3，u4的供电电源和地为同一个+5v，ag；
44.+5vd是相对于gnd地；+24v是相对于gnd地；fan_pwm电压是相对于gnd地；
45.ntc是检测温度点的传感器，用来检测温度的变化，可以根据需求选择不同阻值和变化率的ntc作为检测温度的传感器。
46.+5v和+5vd为正电压，由整流、滤波、稳压或者其它电路产生一个正电压。+24v为开关电源或者其它电路产生的一个正电压。
47.q2选择高电流快速开关导通和关断的nmos管。
48.sleep可以选择接到控制芯片的输出脚来选择输出0v或者+5v；sleep也可以选择接一个1k上拉电阻到+5v。
49.风扇可以选择+24v和其它高电压的风扇，其能量取决于q2，q3和q4的电流及导通速度。选择高电压风扇时，在q2，q3和q4满足条件下，+24v改为高电压供电。
50.本发明主要针对的是根据一个或者多个温度检测点的温度变化时，可以自动实时通过改变风扇两端(24v，fan_pwm)的直流电压来达到控制风扇转速的一种纯硬件电路方法。
51.本发明电路中，风扇的转速取决于以下四个方面：一是fan_cont的频率和幅度及波形类别；二是图1
①
框图中r1和c1的取值；三是图1
③
框图中c2/r2/cr1/r3/c3的取值；四是图1
⑧
框图中的参数变化导致u3_+的直流电压值改变。
52.本发明一、二、三这3个方面是固定值，本发明的风扇转速的实时控制取决于第四点：u3_+点直流电压值的改变。温度检测点温度的改变引起u3_+点直流电压值的改变，进而引起风扇两端(24v，fan_pwm)直流电压的改变，从而改变风扇的速度。
53.如图1所示，
54.①
为积分电路，fan_cont作为电路的一个固定输入，为一固定频率和固定幅度的连续的一个方波信号，是本发明电路正常工作的一个前提条件。其可以通过硬件电路产生，也可以通过软件的方式产生。假设这里取fan_cont是100khz，14vpp的方波信号，作为整个检测电路的一个固定输入信号(取值不是非要100kh，14vpp)。其作用是利用电容的充放电将方波信号转换为类似锯齿的抛物波形r1_out。
55.②
为r1_out的一级处理单元，u1为一个施密特触发非门，u2为一个与非门，作用是将r1_out变为一个固定占空比的信号u2_out。在fan_cont固定了频率幅度波形类别的情况
下，u2_out的占空比只取决于r1和c1的取值。r1和c1的值也是固定值，固u2_out是一个固定占空比的信号。
56.③
为一个微分电路和电容充放电电路，c2和r2组成微分电路，目的将u2_out变为脉冲波c2_out；q1和d1和cr1和r3组成一个电容充放电电路，在脉冲波c2_out作用下，d1_a为一个类似锯齿波的抛物线波形。上述提到影响风扇转速的前三个方面决定了d1_a的波形。
57.④
为一个比较器电路，d1_a与u3_+进行比较，输出为u3_out。
58.⑤
为一个基础转速的设置电路，作用是设置一个u3_+直流电压值。其值的选取(r6和r5值的选择)在满足基础转速的前提下，保证d5和其它检测温度点的相同二极管不导通。
59.⑥
为第一个位置的检测温度点的电路，这里选择ntc负温度系数的温度传感器作为检测点的传感器。
60.⑦
为第n个位置的检测温度点的电路，其电路连接形式和
⑥
相同。
61.⑧
为改变u3_+点直流电压的整体装置。其包括
⑤⑥⑦
。
62.⑨
为u2_out和u3_out的合理衔接电路，d2_a可能的状态为如附图中u3_out的状态2/状态3/状态4，d2_a的值比u3_out小一个d2二极管的压降。
63.⑩
为与非门电路，风扇正常调速的前提是sleep＝“1”，“1”为高电平；“0”为低电平
64.为光耦隔离电路。作用将地信号隔开，转为风扇控制端的地信号
65.为功放电路。作用是给q2的正常驱动提供一能量
66.为驱动电路。作用波形的高电平信号从+5v换成风扇所需要的电压+24v的高电平信号
67.为转直流电路。q2为n沟道mos场效应管，选型上要求高电流的开关应用。作用是将占空比的+24v方波信号转换成直流信号，两端的电压为(fan_pwm，gnd)。
68.为风扇连接电路。可以连接一个至多个风扇fan。风扇的两端电压为(24v，fan_pwm)。
69.工作原理及过程和部件连接方式为：
70.这里取的fan_cont是100khz，14vpp的方波信号(取值不是非要100kh，14vpp，其值的改变会影响u3_+的值的选取，检测原理不会因此改变)。作为整个检测电路的一个固定输入信号。fan_cont连接到r1的一端；r1的一端连接到fan_cont，r1的另一端连接c1的一端和u1的一端(输入端)；c1的另一端接地ag；r1和c1组成一个积分电路，将fan_cont转换成类似锯齿的抛物线波形r1_out。
71.u1的一端(输入端)连接到r1和c1的一端，u1的另一端(输出端)连接到u2的两个输入端(a和b)；u2的另一端(输出端)接c2的一端和d3的正端；u1和u2组成fan_cont的一级处理单元，将r_out信号转换成一个固定占空比的u2_out信号。
72.c2的一端接u2的输出端和d3的正端，c2的另一端接r2的一端和q1的基极，r2的另一端接地ag，q1的集电极接d1的负端，q1的发射极接地ag，d1的正端接r3的一端和cr1的负端，同时连接c3的一端和u3的反向输入端，r3的另一端接+5v，cr1的正端接地ag，c3的另一端接地ag。c2和r2组成一个微分电路，将固定占空比的u2_out信号转换成脉冲波c2_out，在脉冲波c2_out的正脉冲时刻，三极管q1导通一瞬间，d1_a的电压通过q1到ag放电，在脉冲波c2_out的其余时刻，三极管q1断开，d1_a的电压通过r3对电容c3充电，同时由于稳压管cr1
的作用，d1_a为类似抛物线的锯齿波形，d1_a的最高点电压受稳压管cr3，r3，c3的影响。这里取cr3是3.3v的稳压管，r3为5.1k电阻，c3为4.7nf的电容(其值的改变会影响u3_+的值的选取，检测原理不会因此改变)，d1_a的抛物线锯齿波的最大值为2.5v附近。
73.u3为一个比较器，其工作电压为+5v，u3的反向输入端d1_a连接d1的正端和r3的一端和cr1的负端和ce的一端，u3的正向输入端接d4的负端和d5的负端和2路到n路的检测温度点电路类似位置的二极管的负端。u3的输出端接r4的一端和d2的正端，r4的另一端接+5v。u3比较器的同相输入是变化的直流电压u3_+，反向输入是最大值为2.5v附近一个类似锯齿波形，u3的输出端u3_out就得到一个跟随u3_+电压变化的，占空比可调的方波信号，进而决定了风扇的转速，u3_out的占空比越大，代表转速越快。
74.d4的正端接r5的一端和r6的一端，r5的另一端接地ag，r6的另一端接+5v。r5和r6组成一个分压电路，考虑二极管d4的压降为0.4v附近，这里取r6＝3.1k，r5＝1.5k(其取值非固定，考虑影响转速的1-3条的前提下，想使风扇两端的电压(24v，fan_pwm)＝9v附近而匹配r5和r6的电阻而得到一个电压1.64v，此时d1_a＝1.27v附近)，即是d1_a＝1.27v时，风扇两端的电压(24v，fan_pwm)＝9v附近，此电压为风扇基础转速的电压。其值可以通过r5和r6来改变，不影响检测原理。
75.d5的正端接r7的一端和r8的一端和10k ntc的一端，r7的另一端接地ag，r8的另一端接+5v，10k ntc的另一端接+5v。d5，r7，r8，ntc四个器件组成了第一个温度检测点电路。10k ntc为一负温度系数的热敏电阻传感器，即是检测点的温度传感器。r7和r8的取值以及10k ntc的选取，决定了两个方面：一是起始温度是多少，二是从起始温度到终止温度变化时，风扇两端的电压(24v，fan_pwm)的变化率如何以及终止温度是多少，第一个方面是在d5的正端电压＞1.64v开始为起始温度的介入点，同时在ntc温度传感器选型的前提下，可以通过r7和r8的匹配阻值来达到设置的起始温度为多少度。第二个方面可以选择不同类型的ntc来达到。
76.第n个温度检测点电路及工作原理与第一个温度检测点电路相同。两个以上的温度检测点电路，d1_a的电压由温度最高的那一路温度检测点决定。
77.d2的负端接d3的负端和u4的输入a端，d2和d3为u2_out和u3_out的合理衔接电路，d2_a可能的状态为如附图中u3_out的状态2/状态3/状态4，d2_a的值比u3_out小一个d2二极管的压降。
78.u4的输入b端接cpu的控制输出脚sleep信号(如果需要sleep信号作为关闭风扇开关)，u4的输入b端也通过一个1k的上拉电阻接+5v(如果不需要关闭风扇的总开关)，u4的输出端接r9的一端。u4是对d2_a信号进行了反相。
79.r9的另一端接光耦pc1的1脚，pc1的2脚接地ag，pc1的3脚接地gnd，pc1的4脚接r10的一端和q2的基极和q3的基极，r10的另一端接+5vd。将u4_out转换为风扇部分的信号，将地进行隔开。
80.q2的集电极接+24v，q2的发射极接q3的发射极和q4的栅极，q3的集电极接gnd。q2为npn三极管，q3为pnp三极管，q2和q3组成推挽的功率放大电路，使其输出q2_e有能量驱动nmos管q4。
81.q4的d端接cr2的正端和l1的一端，q4的s端接gnd，cr2的负端接+24v，将q2_e波形的高电平信号从+5v换成风扇所需要的电压+24v的高电平信号q4_d。
82.l1的另一端c4的负端和风扇的低端，c4的正端接+24v。将占空比的+24v方波信号转换成直流信号，两端的电压为(fan_pwm，gnd)。
83.风扇的高端接+24v，风扇的低端接c4的负端和l1的一端。可以连接一个至多个风扇fan。风扇的两端电压为(24v，fan_pwm)。
84.本发明的发明点在于，创造了一种用于一处或多处检测点温度变化时可以自动实时控制风扇转速的电路方法。
85.其关键点一在于r1、c1、c2、r2、cr1、r3、c3值的选取，在fan_cont的频率幅度波形类别固定的前提下，r1和c1的时间常数不宜太大，保证在fan_cont的下降沿周期开始后短时间内放电完毕。c2、r2、cr1、r3、c3值的选取需考虑d1_a的锯齿波的周期和最大值问题，决定了d1_a的波形形状。上述七个参数值的合理选取是检测点温度变化时自动实时控制风扇转速的前提条件。
86.其关键点二在于基础转速的设置，在d1_a的波形固定的前提下，r5和r6电阻值的选择是设置基础转速的关键。
87.其关键点三在于检测点传感器的选择，本发明需要选择ntc负温度系数的热敏电阻作为检测温度的传感器。在d1_a的波形固定的前提下，ntc的合理选择及周围匹配电阻r7和r8的选择是设置起始温度点和终止温度点的关键。
88.其创新点一在于检测温度点的位置可以是多个同时风扇的个数也可以是多个，工作中以最高的检测点的温度值来决定全部风扇的同一转速。
89.其创新点二在于加入了关闭风扇的总开关sleep，只要sleep＝“0”，不论电路其它状态，风扇关闭。
90.本发明实现的一种纯硬件电路方法主要用于需要根据检测点温度的变化以改变加在风扇两端的直流电压的高低进行实时控制风扇的转速。温度升高，风扇加速；温度降低，风扇减速。可设置一个基础转速(在一个检测起始温度点之前按此转速)，可设置一个检测起始温度点(在检测起始温度点之后，转速随着检测起始温度点的升高加速)，可设置一个终止温度点(这里指在此温度点及以上温度点时，风速达到最大)。
91.本发明主要应用于电力电子的测量仪器领域，诸如交流电源、直流电源、直流电子负载的功放驱动环节的散热器的温度检测，功放驱动环节需要使用散热器去散热。散热器往往作为温度检测点。本发明还可以用在当温度检测点升高或者下降时，需要自动实时进行风扇转速控制的领域。
92.本发明可以用在当温度检测点的温度变化时，需要自动根据温度实时进行风扇转速控制的领域。也用在电力电子测量仪器内部的驱动管散热领域。
93.以上说明书中描述的只是本发明的具体实施方式，各种举例说明不对本发明的实质内容构成限制，所属技术领域的普通技术人员在阅读了说明书后可以对以前所述的具体实施方式做修改或变形，而不背离发明的实质和范围。