Liste des mises à jour
2006-05-26 7:50 Version initiale
2006-05-26 10:41 Ajout du schéma de la partie 1 et Modification du titre de la vidéo
2006-05-26 12:00 Ajout du schéma de la partie 2 (sous Eagle)
 
 
Je rassemble ici toutes les informations nécessaires à la conception d'un système permettant l'asservissement linéaire et autonome d'une pompe et/ou d'un groupe de ventilateurs.
L'objectif de cet asservissement est d'atteindre un niveau de nuisance quasi-nul même si la température de la pièce est trop importante. Pour y parvenir, il n'y a qu'une seule solution, le sous-voltage.
 
Le montage présenté est en fait un régulateur de vitesse évolué conçu à la base pour un pompe Laing DDC dont les caractéristiques sont les suivantes :
- faibles pertes en ligne
- échauffement réduit
- réglage de la vitesse minimale (la consigne)
- thermorégulation linéraire avec réglage de la consigne pour vitesse mini et maxi
- démarrage à la vitesse maximale
- anti-calage (détection de la rotation de la pompe/du ventilateur)
 
Le premier prototype utilise les composants que j'ai sous la main. On peut considérer que ce montage n'est pas idéal d'un point de vue complexité ou tarification pour celui qui veut monter le sien.
 
 
Le schéma
La partie s'occupant de l'asservissement (une version vite faite sous Eagle à l'instant)...

La partie s'occupant de la commutation et de la détection de défaut de rotation (calage).

 
Le fonctionnement
Un NE555 monté en astable fournit un signal carré pour faire un doubleur de tension nécessaire au comparateur LM393 et au driver de Mosfet, l'IR2110. On récupère et le signal triangulaire au borne du condensateur du 555 et on le compare avec le consigne.
Ce signal (0 ou 1) est envoyé vers le driver de MOS qui se charge de piloter les 2 transistors IRFZ44N. Un filtre linéarise le signal et l'envoi en sortie.
Un détecteur de défaut de rotation (désactivable par un jumper) permet de fixer la consigne à sa valeur maximale. Cet anti-calage a un temps de réponse de 3 secondes et fournit un signal de 2 secondes minimum.
La thermorégulation fait appel à une CTN et un transistor pour modifier de façon linéaire la consigne de vitesse.
Pour améliorer encore le fonctionnement, la sortie est réinjectée sur la consigne pour compenser les éventuelles déviations...
La fréquence du 555 est par défaut fixé à 42KHz, mais cette dernière va être réhaussé à 100 ou 150KHz pour réduire la taille du filtre de sortie (surtout la taille de la self).
Un point important : Toute variation de la consigne (manuelle ou automatique) est filtrée (T=3 secondes) pour ralentir la baisse de vitesse et favoriser temporairement les vitesses maximales (démarrage et anti-calage).
 
La configuration utilisée (les éléments chauds)
- Carte mêre ASUS A8N-SLI Premium
- Athlon X2 3800+
- Saphire X800 GTO
 
Les éléments de Watercooling
- Waterblock CPU
- Waterblock PWM
- Waterblock Chipset
- Waterblock GPU
- Réservoir
- Echangeur 360mm (avec 3 ventilateurs)
- Pompe Laing DDC 1plusT
 
Sur la configuration, l'échangeur, la pompe, le réservoir et le régulateur se trouve dans un watercase, sous l'ordinateur.
Au moment où j'écris ces lignes, le watercase n'est pas totalement terminé.
 
La configuration globale

 
La carte mêre

 
Vue du réservoir, de la pompe (au fond) et du tuyau coincé pour restreindre le circuit

 
La pompe fonctionne à 7.4V (démarrage à 12V obligatoire)

 
L'alimentation (partie 1/2) : C'est l'implantation du proto définitive pour les quelques éléments présents

 
L'alimentation (partie 2/2) : C'était la toute première version d'essai

 
 
Illustration de l'anti-calage en vidéo
http://kristahl.design.free.fr/Per [...] -500kb.avi
Par défaut, la consigne de vitesse minimale est trop basse. L'alimentation relance systématiquement la pompe. J'effectue un réglage manuel pour relever légèrement la consigne.
Les ventilateurs sont couplés à la pompe.

Actuellement le condensateur C1 a la valeur de 4,7nF et le découpage atteint réellement 42KHz.
Il devra prochainement passer à 2,2 puis 1,5 et 1nF pour observer le comportement a des fréquences bien plus importantes. Pour le NE555, il n'y aura quasiment aucun problème. La question reste le LM393 qui a un temps de réponse de 1,5us (sans overdrive). Cependant, son meilleur comportement s'observe actuellement avec un pull-up de 22K.
Pour les mosfet, il ne devrait pas y avoir de soucis. Les IRFZ44N (Tr/Tf de 60/45ns) sont capables de supporter ce genre d'amélioration.
Il est clair que pour l'avenir, des mosfet CMS feraient parfaitement l'affaire.
 
Après encore nouveaux essais, le montage va être encore amélioré pour intégrer un delayed-start : une cellule RC passe-haut du +12V sur l'entrée SD de l'IR2110. La cellule sera calculer pour démarrer 5 secondes après l'apparition du 12V. Les disques durs auront normalement démarré et le +12V de l'alimentation se sera stabilisé. La pompe pourra avoir toute l'énergie maximale disponible de l'alimentation.

Voilà c'est fini.
 
J'ai finalement mis le condensateur C1 à 1,5nF et implanter le delayed-start.
Je posterai demain des photos et quelques relevés...

Finalement non, après de longues heures de validation, le proto n'était toujours pas totalement ok.
 
D'ailleurs, il ne l'est toujours pas. Cependant, il fonctionne bien.
Mais le fait d'utiliser des composants de récup et pas forcément conçu pour un tel usage réduit les chances de réussite d'un tel projet.
 
Actuellement les problèmes sont :
- Instabilité dû à des interférences, une masse assez moyenne et des condensateurs inadaptés.
- Transistors trop volumineux.
- Circuit imprimé très mauvais !!!
- Lenteur du LM393
- Composants non conçus pour un tel usage (NE555, LM393 et IR2110).
Le pire restant l'IR2110 qui ne permet pas une commutation permanente de la ligne HIN/HO (c'est logique puisque dans ce cas, le bootstrap ne fonctionne plus).
- Le 4093 avec ses entrées trigger de schmitt a un gros problème car il y a des parasites qui remonte par les lignes VCC et GND. Cela génère des oscillations en entrée qui se manifestent en sortie.
 
Mais les bons points :
- Le filtre de sortie est efficace (L=1,2mH et C=47uF) avec la cellule de Boucherot (4R7 et 22nF).
- Le doubleur de tension via le 555 - A remplacer avec un circuit spécialisé.
- Le Delayed start avec une valeur de 5 secondes - Très efficace.
- Anti-calage - La pompe même si elle passe son temps à démarrer, au moins, elle fait circuler l'eau (et on l'entend). Il faudrait juste un buzzer pour signaler le calage.
- La régulation de températion et vitesse minimale - En tout, on dispose de trois potentiomètres de réglage et cela fonctionne parfaitement bien !
 
Actuellement, j'ai dû, à cause des oscillations parasites mettre un petit radiateur sur les deux mosfet. Dommage car le découpage à 112KHz est vraiment bien.
Actuellement les oscillations parasites se situent à 8MHz pour la sortie HO et 4MHz pour la sortie LO. L'IR2110 évite la cross-conduction et donc la destruction des transistors de sortie. Mais les capacités parasites du montage (principalement) et des composants compromettent le schéma actuel.
 
Pour l'instant je laise murrir l'idée, le buck synchrone est le montage idéal pour un rendement élevé mais reste toujours dépendent de la tension d'entrée... Peut-être me tournerai-je vers un montage de type buck-boost pour être sûr de fournir un +12V en sortie.

L'idée murit toujours et maintenant d'un montage buck-boost, j'envisage plus le montage fly. Sa mise en oeuvre est plus aisée et surtout, on conserve la masse de la sortie à 0V.
 
Avantage du Fly
- 1 seul mosfet
- faible complexité car les composants sont très très courants pour les fly.
- Tension de sortie pouvant dépasser 12V si necessaire
- Dimensions très réduites
- Protection contre les courts-circuits envisageable
 
Inconvénients
- Il faut bobiner un tore qui puisse supporter 5A
- Rendement plus faible

 
Je mets actuellement au point une autre méthode, une MLI haute frequence (25khz inaudible) au niveau des enroulements du stator.
 
Ca a l'avantage de se passer d'un étage d'alimentation comme le tien (consomme moins aussi), et ca permet de descendre plus bas en rotation.
 
L'inconvénient c'est qu'il faut modifier les ventilo, pour y ajouter le 4eme fil de commande PWM, car j'insere un MOSFET au niveau de l'alimentation des enroulements. Ces derniers sont controlés par un générateur PWM sur bus i2c.
 
Je créerai un topic quand j'aurai fini.
 
Mais à part ca, bon boulot
 
EDIT: Comme toi, mon projet me servira pour mon futur WC pour réguler la vitesse des ventilos en fonction de la temp de l'eau.

milouze33> Très bonne idée, mais tu ne pourras pas commander la pompe.
L'objectif de mon montage est de pouvoir ton contrôler y compris et surtout la pompe. Car dans un watercooling silencieux, le seul élément bruyant c'est la pompe.
 
Par contre, il te faudra plus qu'un mosfet puisqu'il te faudra une entrée à moyenne ou basse impédance et à très faible capacitance à chaque ventilateur. En plus, il te faudra surrement un canal P. Et les mosfet (hors CMS) à faible RDS on, ça court pas les rues et les tarifs sont plus élevés.
Un bon mos N et P dans le même boitier que j'aime bien : IRF7307. Oui c'est un CMS.
 
Cependant, je trouve que c'est une très bonne idée.
L'idée me plait, mais il n'est pas possible de la transposer sur les pompes (pour l'instant). C'est pour moi le seul problème.
 
Ensuite, la thermorégulation des ventilos d'un W/C... Finalement, je suis moyennement satisfait. En effet, en pratique cela n'apporte plus grand chose à partir d'une certaine tension. Mais lorsque l'on sous-volte beaucoup, le gain est important (rapport nuisance/performance).
 
Pour le découpage à 25KHz, personnellement, je te conseillerais de découper beaucoup plus haut et si possible de pouvoir régler la fréquence de découpage.
 
J'ai hate de voir ça.

Oui, ca ne s'applique pas à la pompe effectivement mais la DDC-1T que j'ai vu tourner était inaudible dans le boitier donc c'est pour moi inutile.
 
Pour ce qui est du transistor, mes test avec un BS170 (canal N) ont été concluant (mes ventilos tirent moins d'un ampere) mais il n'est pas utilisable sur tous les ventilateurs, car dépendant du circuit intégré dans ce dernier.
 
La fréquence du signal est fixe à 25Khz dans le circuit que j'utilise. Au début c'est un µC qui s'en chargé mais ca me revenait plus cher que d'utiliser un CI dédié. De toute facon je ne vois pas l'interet de prendre plus haut, à partir du moment où c'est inaudible et que le courant et stable.
 
PS: et le CMS ne me fait pas peur

Vu la capacitance Ciss, tu es tranquille pour les pertes de commutation.
Par contre avec le Rds(on) de plus de 1 Ohm... C'est pas tip top pour la dissipation... Mais un seul transistor par ventilo... Donc t'es assez tranquille, un ventilo ça consomme maxi 100mA.

C'est déjà mieux qu'avec un bipolaire ou qu'un régulateur de tension
 
Sinon pour la conso j'ai déjà eu des ventilos qui tirent plus d'un ampere mais sont totalement hors concours pour mon projet; objectif silence.
 

Du genre Vantec Tornado... La turbine pour PC... Un ventilo qui se déplase tout seul dans la maison... Avec le bruit qui va avec; l'A380 de la ventilation.