Усовершенствование видеокарты (стр. 6 из 12)

Рисунок 2.4 - Нитрогенное охлаждение

Рисунок 2.5 - Элемент Пельтье

Опасность его использования связана с тем, что при неправильной установке элемента есть вероятность образования конденсата, что повлечет за собой выход оборудования из строя. Так что при использовании элемента Пельтье следует быть чрезвычайно аккуратным.

При исследовании СО приходим к выводу, что для нашего случая наиболее приемлимый вариант – воздушное охлаждение. Остается выбрать приемлимый вариант вентилятора (малый уровень шума и побольше производительность).

2.3 Методы устранения недостатков

В персональных компьютерах используются вентиляторы выполненные на основе двухфазного вентильного двигателя постоянного тока с внешним ротором. Остановимся подробнее на устройстве и принципе работы вентильного двигателя. Применение обычного коллекторного двигателя постоянного тока в компьютере недопустимо, т.к., во-первых, он является источником электромагнитных помех, а, во-вторых, требует систематического ремонта, связанного с механическим износом щеток. Поэтому применяются вентильные двигатели в бесколлекторном варианте исполнения. В таком двигателе на роторе расположены постоянные магниты, создающие магнитный поток возбуждения, а обмотка якоря расположена на статоре (обращенная конструкция). Питание обмотки статора осуществляется таким образом, что между ее намагничивающей силой и потоком возбуждения сохраняется смещение в 90 градусов. При вращающемся роторе такое положение может сохраниться в результате переключения обмоток статора. При переключении должны выполняться два условия, согласно которым обмотки статора должны переключаться в определенный момент времени и с заданной последовательностью. При этом положение ротора определяется с помощью датчика положения, в качестве которого обычно используется датчик Холла. Датчик положения управляет работой электронных ключей (транзисторов). Таким образом электронная схема составляет неотъемлемую часть бесколлекторного вентильного двигателя, поскольку без нее невозможна его нормальная работа.

Рассмотрим принцип действия элементов Холла.

При протекании электрического тока Iс по полупроводниковой пластинке, расположенной перпендикулярно магнитному полю, в пластинке наводится ЭДС Еh, направление которой перпендикулярно как току Iс, так и магнитной индукции В (рис. 2.6). Поскольку ЭДС действует на заряженные частицы (электроны или дырки) в соответствии с правилом левой руки, то заряженные частицы смещаются к левой стороне полупроводниковой пластинки. Полярность ЭДС зависит от типа проводимости полупроводника (р- или n-тип) и направления вектора магнитной индукции В.

Рисунок 2.6 - Эффект Холла:

а) - в полупроводнике p-типа,

б) - в полупроводнике n-типа.

1 - электроны, 2 - дырки.

Значение ЭДС, называемой напряжением Холла, определяется как:

Eh=-(l/d)*B*Ic*Rh, (2.2)

где Rh – постоянная Холла;

Ic – ток через пластинку;

В – магнитная индукция;

d – толщина пластинки.

Полупроводниковые приборы, предназначенные для определения магнитных полей, называются датчиками Холла. В современных вентильных двигателях постоянного тока широко применяются датчики Холла n-типа на основе InSb и GaAs.

Рассмотрим принцип определения положения ротора с помощью датчика Холла.

На рис. 2.7 показана эквивалентная схема датчика Холла, представленная в виде цепи с четырьмя выводами. Как было показано выше, при протекании управляющего тока или тока смещения Ic, от вывода 3 к выводу 4 элемента Холла, помещенного в магнитное поле, вектор индукции которого перпендикулярен плоскости элемента, на выводах 1 и 2 элемента наводится холловское напряжение Eh. Если предположить, что R1=R2 и R3=R4 и принять вывод 4 за общую точку схемы, то потенциалы выводов 1 и 2 равны соответственно Eh/2 и -Eh/2. Далее при изменении направления магнитного поля меняется полярность наводимого на элементе напряжения, что показано на рис. 2.3. Поэтому если разместить элемент Холла вблизи ротора с постоянным магнитом, то этот элемент точно выявляет положение полюсов и значение магнитной индукции, генерируя выводные напряжения Еh1 и Eh2.

Вентильный двигатель постоянного тока с элементом Холла.

На рис. 2.8,а показан простейший вентильный двигатель постоянного тока с элементом Холла, расположение которого изображено на рис.2.8,б. Для управления токами в обмотках W1 и W2 выходные сигналы датчика Холла поступают на вход транзисторов VT1, VT2. На рис. 2.9 показаны следующие состояния вращающегося ротора:

а) элемент Холла определяет северный полюс постоянного магнита ротора и подключает обмотку W2 таким образом, что на полюсном башмаке обмотки образуется южный полюс, вызывающий вращение ротора против часовой стрелки (так как разноименные полюса притягиваются) (рис. 2.9,а);

б) элемент Холла выходит из-под действия магнитного поля, что приводит к запиранию обоих транзисторов и обесточиванию обмоток W1 и W2. Ротор продолжает по инерции вращаться против часовой стрелки (рис.2.9,б);

в) элемент Холла определяет южный полюс ротора и подключает обмотку W1 таким образом, что на полюсном башмаке обмотки образуется южный полюс, притягивающий северный полюс ротора, и продолжая таким образом вращение ротора против часовой стрелки (рис.2.9,в).

Рисунок 2.8 - Принцип действия вентильного двигателя постоянного тока, использующего элемент Холла

Рисунок 2.9 - Создание электромагнитного момента, вращение и коммутация обмоток двигателя

"Мертвые точки".

Из рис. 2.9 следует, что при вращении ротора существуют две "мертвые точки", при которых элемент Холла не может определить направление магнитного поля (линии поля направлены параллельно датчику), а значит в обмотках не протекают токи, создающие электромагнитный момент. Следовательно, существует вероятность остановки такого двигателя в "мертвой точке". Пройти такую точку ротор может только по инерции и лишь при малом значении момента трения на валу. Проблема "мертвых точек" является главным недостатком вентильных двигателей. Основным методом устранения "мертвых точек" в двухфазных вентильных двигателях является использование пространственного гармонического магнитного поля. Получение такого поля достигается либо с помощью неравномерного воздушного зазора между ротором и статором, либо с помощью дополнительных полюсов статора и намагничивания ротора в последовательности N-0-S-N-0-S (0 - область ротора с отсутствием намагничивания, N,S - области ротора, намагниченные северным и южным полюсом соответственно). Не вдаваясь в дальнейшие подробности, отметим лишь, что на практике встречаются двигатели как первого, так и второго типа. На рис. 2.10,а,б показаны поперечные сечения обоих типов двигателей.

Холловская интегральная схема (ХИС).

Для усиления выходных сигналов датчика Холла совместно с ним необходимо использовать один или более транзисторов. В настоящее время на одном кристалле устанавливают как элемент Холла, так и некоторые электронные схемы, образуя холловскую интегральную схему (ХИС). Внешний вид типичной ХИС, а также ее функциональная схема, показаны на рис.2.10.

Рисунок 2.10 - Сечение двухфазного вентильного двигателя с внешним ротором:

а) - с неравномерным воздушным зазором; б) - с дополнительными неподвижными полюсами;

1 - ферритовый постоянный магнит ( а) - 4 полюсный, б) - намагниченный в последовательности N-S-0-N-S-0; 2 холловская интегральная схема;

3 - магнитопровод (ярмо) якоря; 4 - магнитопровод статора; 5 - обмотка статора

Рисунок 2.11 - Холловская интегральная схема (ХИС) (а)

и ее функциональный состав (б):

1 - элемент Холла; 2 - дифференциальный усилитель;3- выходной каскад

Существуют два типа ХИС: линейные и релейные. На рис. 2.12 изображены характеристики чувствительности ХИС обоих типов. Выбор типа ХИС зависит от конструкции и области применения двигателя.

Выходной сигнал датчика Холла 1, предварительно усиленный операционным усилителем 2, поступает на вход выходного каскада 3. Выходной сигнал ХИС управляет состоянием силового транзистора, регулирующего токи в обмотках двигателя.

Рисунок 2.12 - Характеристики ХИС линейного (а) и релейного (б) типа SU8025-M.

Рассмотрим в качестве примера работу принципиальной схемы двигателя вентилятора Super-Ultra модель SU8025-M (Тайвань) (рис. 2.13). Этот двигатель имеет следующие основные технические характеристики:

• напряжение питания 12V DC;

• потребляемый ток 120mA.

ХИС HG типа UF1301 управляет состоянием транзисторов Q1, Q2. Транзисторы работают в ключевом режиме и состояние их всегда противоположно. Поэтому ток протекает через обе фазы обмотки статора поочередно, т.к. эти фазы подключены к коллекторам Q1, Q2. Обмотка статора состоит из четырех катушек, при этом обмотки первой и второй фаз наматываются совместно таким образом, как это показано на рис. 2.14. Магнитные полярности этих обмоток у каждого из полюсов двигателя противоположны друг другу. Такой тип обмотки называют бифилярной обмоткой. Это позволяет запитывать обе обмотки напряжением одной полярности.