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Options de contrôle et de protection pour les ventilateurs CC

Par Jeff Smoot, Vice-président, Ingénierie des applications et contrôle de mouvement, CUI Devices

En tant que dispositifs de gestion thermique connus et largement mis en œuvre, les ventilateurs CC peuvent être utilisés individuellement, en série ou en parallèle pour fournir un refroidissement par convection forcée. Grâce à leur polyvalence et à leur fonctionnement relativement simple, ils constituent un choix judicieux pour améliorer le profil thermique d'une application finale depuis de nombreuses années. Selon les principes de physique élémentaire, l'air en mouvement produit par les ventilateurs est efficace pour refroidir les composants en absorbant la chaleur puis en transférant cette chaleur hors d'un dispositif pour qu'elle soit dissipée. Cependant, leur efficacité est influencée par plusieurs facteurs, et les ingénieurs peuvent tirer parti d'une meilleure compréhension des caractéristiques et des options disponibles afin d'améliorer la fiabilité et le rendement des ventilateurs CC.

Schéma du refroidissement par convection naturelle par rapport au refroidissement par convection forcéeFigure 1 : Refroidissement par convection naturelle par rapport au refroidissement par convection forcée. (Source de l'image : CUI Devices)

Pour commencer le processus de sélection d'un ventilateur CC, un ingénieur doit effectuer une analyse thermique de base afin de calculer le débit d'air minimum requis. Une analyse thermique typique peut inclure la modélisation des sources de chaleur, des conditions ambiantes et de l'augmentation de la température. D'autres facteurs tels que la taille du ventilateur, son orientation et le trajet du flux d'air dans l'application doivent également être pris en compte pour garantir la mise en œuvre d'une solution appropriée. Le blog de CUI Devices, « Understanding Airflow Fundamentals for Proper DC Fan Selection », fournit des informations supplémentaires sur l'analyse thermique et le processus de sélection.

Une fois l'analyse thermique terminée et le ventilateur correctement dimensionné et caractérisé sélectionné, il ne reste plus qu'à alimenter le ventilateur et à le laisser fonctionner, n'est-ce pas ? Bien que le fonctionnement permanent d'un ventilateur puisse remplir son objectif dans certains scénarios, le refroidissement à air forcé continu ne constitue généralement pas une solution écoénergétique ou à long terme. Les ventilateurs CC d'aujourd'hui offrent aux concepteurs un ensemble d'options de contrôle, de surveillance et de protection pour améliorer leurs capacités de gestion thermique. La suite de cet article traite de ces caractéristiques afin que les concepteurs puissent tirer parti de techniques de contrôle de ventilateurs plus avancées.

Cyclage marche/arrêt

Comme indiqué ci-dessus, le fonctionnement à plein temps des ventilateurs permet certainement de garantir le refroidissement des composants sensibles à la température, mais il ne tient pas compte de la consommation d'énergie ni du fait que les ventilateurs ont des pièces mobiles dont la durée de vie est limitée. Lorsque les ventilateurs fonctionnent, ils produisent également un bruit audible qui peut être indésirable dans une variété d'applications et d'environnements.

Le cycle marche/arrêt d'un ventilateur autour d'un point de consigne de température est une autre approche qui peut atténuer certains des inconvénients du fonctionnement continu du ventilateur. La technique de contrôle marche/arrêt du ventilateur peut permettre d'économiser de l'énergie en limitant la durée de fonctionnement, en sollicitant moins les composants mobiles et en réduisant le bruit audible quand le ventilateur s'arrête lorsque la température descend en dessous du point de consigne.

Cependant, le contrôle marche/arrêt des ventilateurs est une approche de refroidissement à air forcé trop simpliste à bien des égards, et présente un ensemble d'inconvénients. Tout d'abord, la technique de contrôle marche/arrêt introduit des cycles de chaud et de froid dans les composants sensibles à la température. Le cyclage thermique peut s'avérer aussi néfaste, voire pire, pour les composants critiques que le fonctionnement à des températures élevées constantes. En effet, le cyclage thermique crée des différences de coefficients de température qui provoquent des contraintes supplémentaires sur les matériaux et les soudures, entraînant une défaillance prématurée.

Vient ensuite le facteur de dépassement thermique inévitable. Il s'agit du délai entre la mise en marche du ventilateur et le moment où l'air forcé qu'il produit commence effectivement son action de refroidissement. Pendant ce délai, une surchauffe des composants peut se produire à moins que le point de consigne pour la mise en marche du ventilateur ne soit abaissé. De plus, en abaissant le point de consigne, on augmente le temps de mise en marche du ventilateur et la création de bruit audible. Enfin, pour éviter une activation et une désactivation rapides autour du point de consigne, l'hystérésis doit être implémentée.

Le graphique ci-dessous permet d'illustrer le dilemme du dépassement thermique causé par le décalage thermique dans les applications de contrôle marche/arrêt des ventilateurs. Ce graphique représente la température de point de consigne souhaitée avec un changement de niveau (bleu clair), ainsi que le cyclage marche/arrêt du ventilateur (vert) et la température réelle (bleu foncé).

Graphique du cyclage marche/arrêt du ventilateur pouvant entraîner un dépassement et un décalage thermiquesFigure 2 : Le cyclage marche/arrêt du ventilateur peut entraîner un dépassement et un décalage thermiques. (Source de l'image : CUI Devices)

Options actuelles de contrôle de ventilateurs

Les ventilateurs CC actuels offrent aux concepteurs un éventail d'options de contrôle et de protection qui permettent d'affiner les systèmes de gestion thermique. Ces conceptions avancées élèvent le contrôle marche/arrêt de base des ventilateurs à un nouveau niveau de performances, de rendement et de fiabilité. Il existe également des options de protection qui permettent de détecter les problèmes avant qu'ils n'endommagent le ventilateur et les composants qu'il refroidit. Certaines des options les plus courantes de contrôle et de protection des ventilateurs sont répertoriées ci-dessous :

Modulation de largeur d'impulsion

La modulation de largeur d'impulsion (PWM) est une méthode courante utilisée pour contrôler et modifier la vitesse du ventilateur en fonction des conditions thermiques variables. Le contrôle à vitesse variable basé PWM permet un meilleur rendement de fonctionnement lorsqu'il est associé à des algorithmes de commande avancés qui peuvent s'adapter à la dynamique opérationnelle ajustant la vitesse du ventilateur à la charge thermique.

Le contrôle marche/arrêt des ventilateurs peut également être amélioré avec cette méthode en adoptant des stratégies de contrôle proportionnel-intégral-dérivé (PI et PID) en boucle fermée. Ces stratégies permettent d'éviter les dépassements et dépassements négatifs thermiques malgré les variations de charge en garantissant que le flux d'air maintient les conditions à la température de point de consigne souhaitée.

Signal de tachymètre embarqué

Utilisé pour la rétroaction en boucle fermée et le contrôle plus avancé des ventilateurs, le tachymètre embarqué détecte et indique la vitesse de rotation d'un ventilateur en mesurant la fréquence d'un signal de sortie pulsé. Il sert également de détecteur de blocage qui avertit les utilisateurs si le ventilateur a cessé de fonctionner en raison d'une perte d'alimentation, d'une obstruction, etc. Le fait de pouvoir détecter ces problèmes le plus rapidement possible est un avantage majeur pour le fonctionnement système et permet des arrêts ponctuels pour protéger les composants sensibles à la température.

Protection de redémarrage automatique

La protection de redémarrage automatique détecte lorsque le moteur du ventilateur ne peut pas tourner et coupe automatiquement le courant d'attaque. Cela permet de protéger les circuits de commande du ventilateur et d'alerter le contrôleur du ventilateur des problèmes immédiats dus à l'arrêt du courant d'attaque.

Détecteur de rotation/de blocage

Utilisé pour détecter si un moteur de ventilateur est en fonctionnement ou à l'arrêt, le détecteur de rotation/blocage offre une protection contre les problèmes au démarrage ou pendant le fonctionnement.

Résumé

Lorsqu'une application produit un excès de chaleur, les ventilateurs CC constituent un choix courant pour maintenir les composants dans leurs limites de fonctionnement et pour améliorer la dissipation de la chaleur. Si la sélection de ventilateurs fonctionnant en continu après une analyse thermique de base constitue une option, des contrôles et des protections plus avancés peuvent offrir aux concepteurs des ventilateurs affichant une durée de vie plus étendue et un meilleur rendement opérationnel. CUI Devices propose un portefeuille complet de ventilateurs CC dans une variété de tailles, de débits d'air, de vitesses et de contrôles pour simplifier ce processus.

Avertissement : les opinions, convictions et points de vue exprimés par les divers auteurs et/ou participants au forum sur ce site Web ne reflètent pas nécessairement ceux de Digi-Key Electronics ni les politiques officielles de la société.

À propos de l'auteur

Jeff Smoot, Vice-président, Ingénierie des applications et contrôle de mouvement, CUI Devices

Article fourni par Jeff Smoot de CUI Devices.