Sencillo monitor de aire

Circuitos especiales

Recientemente tuve la oportunidad de diseñar un dispositivo simple para monitorear el flujo de aire en una ventilación. Estuve frustrado, ya que la propuesta exige un modelo barato basado en un ventilador de refrigeración de PC común como sensor de flujo de aire. Aunque esa no es una excelente manera de hacerlo, elegí un par de ventiladores de enfriamiento de CC sin escobillas de marco abierto (BLDC) de una tienda de repuestos cercana. Según el distribuidor, el ventilador de enfriamiento que elegí es, de hecho, una pieza de repuesto para ciertas cocinas de inducción. Los datos mecánicos de ese ventilador de enfriamiento BLDC de 18 V CC, sin marco/sin marco son 14,2 x 11,5 x 2,3 cm, donde 11,5 es el área de barrido (4,5 ″), y su descripción de la parte es JF30-18Z Ventilador sin marco BLDC / 1 fase.

Aprender sobre el ventilador de enfriamiento de CC sin escobillas sin marco:
Después de una prueba rápida, corrí al laboratorio para desmantelar mi ventilador sin marco y verifiqué que se trata de un ventilador de enfriamiento de CC sin escobillas monofásico, como lo señaló el vendedor.

En principio, un motor de CC sin escobillas (BLDC) realiza la conmutación electrónicamente utilizando la retroalimentación de posición del rotor para determinar cuándo cambiar la corriente, y hay tres clasificaciones del motor de CC sin escobillas: monofásico, bifásico y trifásico. El rotor tiene imanes permanentes para formar dos pares de polos magnéticos, y rodea el estator, que tiene los devanados. Tenga en cuenta que en un motor monofásico, el estator tiene un devanado, enrollado en sentido horario (CW) o antihorario (CCW) a lo largo de cada brazo del estator, para producir cuatro polos magnéticos como se muestra en la siguiente figura.

Lo que hay dentro y un vistazo a la electrónica del ventilador:

La impresión general de la vista interior de mi ventilador sin marco es que es un diseño muy barato y simple con un pequeño chip de controlador de ventilador de 4 pines a bordo. El número de pieza del chip del controlador del ventilador de 4 pines es AH477A.

Algunas búsquedas me dieron la idea de que el chip del controlador del ventilador, AH477A, ​​es un pestillo monofásico de efecto Hall utilizado ampliamente en ventiladores de CC sin escobillas, y su hoja de datos original me señaló en la dirección correcta. El AH477A que proviene de BCD Semiconductors es un sensor de efecto Hall integrado de bajo perfil con un controlador de salida de puente H diseñado para aplicaciones de motores de CC sin escobillas. El chip incluye un sensor de efecto Hall en el chip para detección magnética, un amplificador que amplifica el voltaje Hall, un comparador para proporcionar histéresis de conmutación para rechazo de ruido, un controlador de motor bidireccional para hundir y obtener una gran corriente de accionamiento (~ 300 mA) . El rango de voltaje de operación recomendado del chip disponible en el paquete TO-94 (SIP-4L) está en el rango de 3.5V a 18V. ¡Hasta aquí todo bien!

Un rápido desglose electrónico de la placa de circuito del ventilador confirmó que el diseño sigue estrictamente el ejemplo de aplicación que figura en la hoja de datos, pero sin el condensador de desacoplamiento recomendado de 100nF (0.1uF) a través de los rieles de alimentación. Las bobinas del estator tienen una resistencia total cercana a 56Ω.

El funcionamiento del chip del controlador del ventilador AH477A es muy simple y directo. Al colocar el chip en un campo magnético variable, si la densidad de flujo magnético es mayor que el umbral BOP, la salida DO se convierte en sumidero y la salida DOB se convierte en fuente. Este estado de salida se mantiene hasta que la densidad de flujo magnético se invierte y cae por debajo de BRP, lo que hace que DO se convierta en fuente y que DOB se hunda. ¡Muy genial!

El chip del controlador del sin marco:

Ahora está claro que el chip del controlador del ventilador AH477A se puede utilizar como un sensor de rotación efectivo. Para que sea viable, se requiere un truco menor. Eso es simple, simplemente retire los cables de la bobina del estator del chip y luego extienda los puntos de salida hacia el mundo exterior a través de un par de cables delgados (deje la bobina del estator intacta como lo desee más adelante).

Este es el primer plano anotado de mi electrónica de ventilador modificada diseñada para funcionar con una fuente de alimentación regulada de 5 V CC. Toda la configuración tiene cuatro conexiones de cable: el primer par son los cables de entrada de la fuente de alimentación (+ 5V y GND) y el segundo par (T1 y T2) son los cables de salida de señal ‘tacho’.

¡El truco finalmente está optimista ya que estamos recibiendo una señal de tacho ‘bipolar’ a través de un poderoso puente H! Simplemente podemos tratar la salida como una sola salida (puente) o cuatro salidas (sumidero y fuente) en función de la aplicación en mente. Se observa que la salida de alto nivel de estado abierto es de aproximadamente 5V y la salida de bajo nivel es de aproximadamente 1.6V, mientras que el voltaje a través de los cables de salida (T1-T2) es aproximadamente 3.4V.

Volviendo a mis experimentos, simplemente conecté un LED ámbar de 5 mm a través de los cables de salida a través de una resistencia 2K2 y descubrí que el LED parpadeaba dos veces por rotación completa del concentrador del ventilador (giraba el concentrador a mano), es decir, la señal de tacho allí representa 2 impulsos / revolución independientemente de la dirección de rotación: CW o CCW.

Al día siguiente, puse mi configuración de ventilador pirateada (con el LED ámbar) en una corriente de aire suave para otra prueba cruda. Mi tacómetro sin contacto mostró un RPM de 300, mientras que el osciloscopio sondeó a través de los cables de tacómetro (T2 = caliente y T1 = GND en ese momento) estimó una frecuencia de señal de tacómetro alrededor de 10Hz (ver el seguimiento del alcance informal). ¡Eso sonó como una señal de entrada bastante limpia para cualquier microcontrolador!

Luego preparé un hardware simple para reemplazar el LED de prueba con un optoacoplador estándar para que la configuración se pueda usar como un adaptador de señal frontal aislado para proyectos basados ​​en microcontroladores en el futuro. Vea su esquema que se muestra a continuación. Tenga en cuenta que aquí también puede probar un ‘optoacoplador de CA’. Si es así, obtendrá una salida de señal de tacómetro doble.

Quizás este podría ser un salto rápido, barato y alegre a un anemómetro grosero también con fines experimentales. ¿Quién sabe?

Medición del flujo de aire:

Tenía muchas ganas de poner esto en marcha, así que agarré una placa Arduino Uno y cargué un boceto de prueba de RPM (obtendré otro código para jugar más tarde). Mi pensamiento era meter el ventilador pirateado en el flujo de aire y contar su velocidad de giro con el resto de la electrónica. Oh, solo una configuración de prueba descuidada, ¡pero funcionó!

código para el funcionamiento

#include

#include «FanMonitor.h» // See text

#define FAN_MONITOR_PIN 5 // Pin (C) of the optocoupler to D5 (10K Pull-Up) & (E) to GND!

FanMonitor _fanMonitor = FanMonitor(FAN_MONITOR_PIN, FAN_TYPE_UNIPOLE); // See text

void setup()

{

Serial.begin(115200);

_fanMonitor.begin();

}

void loop()

{

uint16_t rpm = _fanMonitor.getSpeed();

Serial.print(«Speed = «); Serial.print(rpm); Serial.println(» RPM»);

delay(1000);

}

El código de prueba anterior se basa en la biblioteca «FanMonitor» de Daniel Porrey. A pesar de que la biblioteca Arduino está preparada para el monitoreo de la velocidad de los ventiladores de enfriamiento de PC de 3 hilos estándar, hay una opción en la biblioteca para manejar señales de entrada tanto unipolares como bipolares. Aquí, el número predeterminado de pulsos cada vez que el ventilador gira una vez es 2, como es el caso de la mayoría de los ventiladores de 3 cables. El código verifica un pulso para ver si el ventilador está funcionando. De lo contrario, devolverá 0. Debe haber una resistencia pull-up en el pin de entrada de señal (D5) para garantizar que el valor sea alto (H) cuando el motor se detiene. Tome nota, el código mide la longitud de pulso baja (L). Esta es la salida de mi monitor en serie:

¿Qué tan bien funciona la idea?

Como saben, establecí mi configuración frente a una pequeña ventilación y obtuve alrededor de 10 conteos por segundo, lo que resultó en una lectura de 300 RPM (10 pulsos ÷ 2 x 60 segundos = 300 rotaciones por minuto). El código anterior solo mide la velocidad de rotación, pero podemos modificarlo para iniciar / detener otro dispositivo cuando la velocidad de rotación supera o supera un cierto umbral. La parte más complicada del proyecto son los experimentos del mundo real para obtener los umbrales correctos para la calibración, quizás una tarea un poco más difícil.

Cuerda rápida:

Todavía no he hecho el modelo final del monitor de flujo de aire y he realizado pruebas del mundo real, debido a limitaciones técnicas. Pero eso no significa que me haya olvidado de la versión final. Volveré a presentar un mejor proyecto de monitor de flujo de aire que usa el mismo ventilador sin marco presentado aquí, pero podría tener algunas características y funciones adicionales.

… pero todavía hay cosas que debatir sobre este concepto. Posibles sugerencias sobre cómo elevar esta idea para desarrollar un anemómetro simple (indicador de velocidad y dirección del viento) también son bienvenidas. Si puedes compartir algo, ¡por favor, preséntate!

fuente original (en inglés): Simple Air Flow Monitor

Crédito de las imágenes: electroschematics.com

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