Introduction
Le petit montage présenté ici contrôle la vitesse de rotation d'un ventilateur en
fonction de la température mesurée. Il a été conçu en particulier pour piloter
un ventilateur de boîtier ou de CPU d'ordinateur, mais il peut être utilisé dans tout
autre cadre où un ventilateur est initialement alimenté par une tension continue de 12V.
Naturellement, on trouve des ventilateurs qui intègrent un asservissement en température, mais vous perdez alors le
plaisir de faire vous-même !
Il existe d'autres montages équivalents : si vous cherchez un peu, vous pourrez en trouver sur Internet ou
dans des revues d'électronique de loisir ; le schéma présenté ici a toutefois la
prétention d'utiliser moins de composants que la plupart de ses semblables.
Le petit avertissement indispensable :
VOUS tiendrez le fer à souder ! Ce montage a été réalisé et fonctionne sans problème,
mais VOUS SEUL pourrez garantir le bon fonctionnement de VOTRE réalisation.
Ce projet est très simple et ne devrait pas poser de problème à quelqu'un ayant une
petite expérience de l'électronique, mais ceci ne dispense pas de la nécessité d'apporter le plus
grand soin à sa réalisation, sachant que l'arrêt inopiné d'un ventilateur peut avoir des
conséquences très déplaisantes !
Principe
Le montage s'articule autour de :
- un capteur de température LM35
- un boîtier double ampli op LM358* utilisé en générateur de dent de scie et en comparateur,
- le premier ampli op du boîtier génère une tension en dent de scie,
- le second ampli op compare la sortie du LM35 (tension proportionnelle à la température) à la dent de scie,
Et voilà notre modulation de largeur d'impulsion (Pulse Width Modulation ou PWM) réalisée pour commander le ventilateur !
* : ou LM258 ou autre double ampli op acceptant un fonctionnement de type "rail-to-rail" entre 0V et 12V (les
tensions d'entrée dans le montage proposé évoluent très près du 0V).
Schéma
Le schéma électronique et le circuit proposé ont été réalisés avec la
version 4.11 Freeware de
Eagle Layout
Editor de
CadSoft.
Se référer au site de l'éditeur pour les
conditions
d'utilisation du logiciel en version Freeware.
Tout d'abord le schéma. Tout de suite après, les explications :
Pour commencer, plaçons ce schéma dans un montage type entre une carte mère de PC et le ventilateur initialement
raccordé à la carte mère :
- Le connecteur "IN" (connecteur femelle 3 points) vient se raccorder à la carte mère pour y puiser son alimentation 12 V.
- Le connecteur "FAN" (connecteur mâle 3 points) doit recevoir la prise du ventilateur pour l'alimenter
- Le composant LM35 doit être déporté à l'endroit le plus pertinent (le raccorder par trois fils d'une dizaine de
centimètres environ) pour capter la température : bloqué entre deux ailettes du radiateur CPU par exemple (attention à
bien isoler les pattes et les soudures à l'aide de gaine thermorétractable !).
Le troisième point "SENSE" des connecteurs "IN" et "FAN", classique sur les ventilateurs pour ordinateurs, est l'indicateur de rotation du ventilateur ; il est
simplement retransmis par le montage (liaison IN-1 FAN-1).
Détaillons maintenant le contenu du schéma :
Commençons par le générateur de dent de scie, constitué de IC1A, R1 à R4 et C1.
-
A la mise sous tension, C1 est déchargé (0 V), le pont diviseur R1/R2 "biaisé" par R3 donne une tension > 0 V
quelle que soit la tension en entrée de R3 ; donc la sortie d'IC1A monte à V+.
-
Ceci a deux effets :
- Le pont diviseur est en réalité constitué de R1 // R3 et de R2 (voir le schéma "suggestif" ci-dessous).
- C1 se charge à travers R4.
-
La charge de C1 se poursuivant, la tension atteint le seuil VHigh
correspondant au pont diviseur constitué de R1 // R3 et de R2 ; la sortie d'IC1A passe alors à 0.
-
Ici à nouveau, deux effets :
- Le pont diviseur est désormais constitué de R1 et de R2 // R3 (voir le second schéma "suggestif" ci-dessous).
- C1 se décharge à travers R4.
-
La décharge continuant, la tension aux bornes de C1 passee sous le seuil VLow déterminé par le pont diviseur
constitué de R1 et de R2 // R3. On est reparti pour un cycle ...
La tension aux bornes de C1 va continuellement osciller entre V
High et V
Low.
La rapidité d'oscillation est liée à la valeur de la capacité C1 et à la valeur de la résistance R4 qui charge C1.
Passons maintenant à l'ampli op IC1B utilisé en comparateur :
- sur son entrée "-", la tension de sortie du LM35, proportionnelle à la température
- sur son entrée "+", la dent de scie
Finalement :
- Si la tension de sortie du LM35 reste sous la dent de scie, alors la sortie du comparateur reste en position haute (passive)
- Si la tension de sortie du LM35 reste au-dessus de la dent de scie, alors la sortie du comparateur reste en position basse (active)
- Si la tension de sortie du LM35 est dans la fenêtre de la dent de scie, alors la sortie du comparateur produit des impulsions plus ou
moins larges.
Une dessin sera peut-être plus clair. Tentative d'illustration spacio-temporelle ci-dessous :
En sortie du comparateur, un transistor PNP 2N2905 commande le ventilateur : ce dernier est alimenté si la sortie du
comparateur est basse, il est coupé si la sortie du comparateur est haute. Tenant compte que les ventilateurs pour ordinateurs
contiennent leur propre électronique de contrôle, il n'y a ici aucun mécanisme de protection (du type diode de roue
libre) autour du transistor.
Le projet Eagle (.zip)
Les calculs "savants"
Premier calcul
Dans le schéma utilisé, le LM35 produit une tension proportionnelle à la température. La tension
varie de 10 mV par °C, et le composant est calé pour produire 0 V à 0 °C. Par exemple, à 20 °C, la tension est de 0.2 V.
Le premier calcul "savant" consiste à déteminer les valeurs de R1, R2, et R3, de telle manière que les tensions
limites de la dent de scie correspondent :
- à la tension (donc la température) sous laquelle le ventilateur ne doit pas fonctionner du tout
- à la tension (donc la température) au-delà de laquelle le ventilateur doit fonctionner à sa vitesse maxi.
La logique consiste donc à définir :
- une température basse : par exemple 30 °C, donc une tension basse VLow
- une température haute : par exemple 50 °C, donc une tension haute VHigh
Attention dans le choix des températures ! Il faut prendre en compte plusieurs critères :
- il faut tenir compte du fait que le capteur n'est généralement pas "au coeur de l'action" ; autrement dit,
il lira très probablement une température légèrement inférieure à la température réelle au point le plus chaud du système.
- les ventilateurs ont une inertie ; autant dire que le ventilateur ne commencera pas à tourner à l'apparition des
premiers pics de commande, il faudra que la largeur d'impulsion atteigne une valeur
minimale pour que la rotation commence effectivement.
La suite consiste à résoudre l'équation déterminant R1, R2, R3 en fonction de V
Low et de V
High.
Comme indiqué plus haut, V
Low et de V
High se déduisent de R1, R2, R3 qui constituent des ponts
diviseurs :
(1) V
High / V
In = R2 / (R1' + R2), avec R1' = R1 // R3 c'est-à-dire (R1 . R3) / (R1 + R3)
(2) V
Low / V
In = R2' / (R1 + R2'), avec R2' = R2 // R3 c'est-à-dire (R2 . R3) / (R2 + R3)
Ca vous rappelle l'école ? La preuve qu'il y a parfois des applications ...
La résolution
ici, le résultat
là:
Résolution :
Gros coup de flème, sollicitons les capacités de calcul algébrique d'une calculatrice
TI89 ...
Commençons par définir la fonction "parallèle" :
Define p(a,b)=a.b/(a+b)
Convenons que l'on écrira
x pour R1,
y pour R2,
z pour R3,
h pour le rapport V
High / V
In et
l pour V
Low / V
In.
Demandons à déterminer
y et
z
pour
h,
l et
x donnés :
solve(h=y/(p(x,z)+y) and l=p(y,z)/(x+p(y,z)), {y,z})
Quelques instants de cogitation plus tard :
y = x . l/(1-h)
z = x . l/(h-l)
Résultat :
R2 = R1 . V
Low / (V
In - V
High)
R3 = R1 . V
Low / (V
High - V
Low)
A titre d'exemple, si l'on choisit les températures limites 30°C et 50°C, on obtient alors pour R1 = 100 000 ohm :
R2 = 2608.7 ohm et R3 = 150 000 ohm.
Ces valeurs "tombent" bien puisque 2k6 et 150k sont des valeurs standard dans la gamme des résistances à 5%.
Si vos propres choix aboutissent à des valeurs non standard, évaluez l'erreur sur les températures limites
qu'introduirait l'usage des résistances normalisées les plus proches, ou utilisez des résistances ajustables.
Second calcul
Le second calcul vise à déterminer la fréquence de la dent de scie, déterminée par R4/C1, mais aussi par les tensions limites.
Cette étape ne doit pas être négligée et le montage doit être adapté au ventilateur piloté. Les
écueils à éviter sont les suivants :
- comme indiqué plus haut, un ventilateur d'ordinateur comporte de l'électronique interne, qui a été
conçue pour une alimentation continue permanente, et non pour l'alimentation hachée qui lui sera fournie par le présent
montage.
- les pales du ventilateur ont une inertie mécanique, qui peut introduire des phénomènes de résonances en
fonction des impulsions de commande soumises en entrée.
En conclusion,
on ne fera pas le second calcul savant (ouf !)
et on lui préférera la validation au cas par cas, par l'expérimentation. Comme base d'expérimentation, on peut partir d'une
période de 1/10 s, soit, pour une capacité C1 de 100 nF, une résistance R4 de l'ordre 1 Mohm (100.10
-9
x 1.10
6 = 0.1) ; une résistance ajustable temporairement câblée à la place de R4 permet de
trouver la valeur la plus adéquate pour le ventilateur à piloter.
Le résultat
Ci-dessous une photo du montage réalisé. Les valeurs des composants ont été choisies comme suit :
- R1 / R2 / R3 = 100k / 2k6 / 150k pour des températures limites de 30°C et 50°C
- R4 / C1 = 470k / 100n pour ... un fonctionnement silencieux et sans heurt du ventilateur.
Pour tester, vous pouvez simplement approcher plus ou moins la flamme
d'un briquet du capteur (approcher seulement !!!), ou une panne de fer à souder.
Variantes
- Votre revendeur préféré n'a pas de LM35 (le capteur de température en boîtier plastique 3 pattes TO-92),
vous n'avez pas de double ampli-op capable d'opérer très près de son alimentation V- : rendez visite à
VieuxGeo qui vous propose
sa propre version du montage,
avec un capteur de température réalisé autour d'un simple transistor, et d'autres modifications de son cru.
Toujours sur le site de VieuxGeo, vous trouverez aussi une régulation par
variation continue de tension.
- Le montage peut aussi être décliné avec un potentiomètre à la place du capteur LM35 : vous obtenez
alors un contrôle manuel de la rotation du ventilateur.
- Il est possible d'ajouter en entrée du montage une capacité de filtrage de l'alimentation
(type 10µF 25V) mais notez que l'un des objectifs était ici de minimiser le nombre de composants !
- Pour piloter un ventilateur "non informatique", un transistor plus puissant en sortie, ainsi qu'un mécanisme de protection de
ce transistor, peuvent être nécessaires afin de protéger le montage de la force contre-électromotrice du ventilateur.
