Блок управления вентилятором системы охлаждения. Интеллектуальное реле управления вентилятором охлаждения двигателя

На современной машине установлен один вентилятор , работающий в разных скоростных режимах.

Управление вентилятором охлаждения выполняет две задачи :

1. предотвращение перегрева мотора;
2. охлаждение фреона в конденсаторе.

Управляет блок управления, который расположен на арматуре вентилятора. Вентилятор, арматура и блок управления являются одним узлом. При выходе из строя одной из частей заменяются весь узел в сборе.

Неисправность блока управления

Одна из бед системы охлаждения - выход из строя вентилятором охлаждения, что не даёт сработку вентилятора и вызывает перегрев мотора, а при использовании кондиционера - перегрев фреона, повышение давления, а в результате повреждение системы кондиционирования.

Если перегрев можно заметить по данным прибора температуры двигателя на приборной панели, то перегрев фреона можно определить только по косвенным признакам (недостаточное охлаждение воздуха).

Управление вентилятором охлаждения не подразумевает , но отремонтировать его можно. Два слабых места это полевые транзисторы IRF477. Они N-канальные транзисторы с напряжением 450В и током 8,8А. При ремонте заменяются на IRF640, так как в продаже 477-ые встречаются редко и их сложно найти в магазинах.

Выход из строя транзистора также может повлечь повреждение микросхемы TL494 . При ремонте этого блока управления вентилятором охлаждения, замена микросхемы не потребовалась.

Ремонт блока управления

Чтобы заменить транзисторы необходимо удалить часть компаунда. Это легко сделать нагрев его феном паяльной станции.

Далее откручиваем гайки, которые крепят транзисторы, просверлив два отверстия в нижней стенке корпуса, через которые надодержать винты отверткой, что бы гайки не проворачивались вместе с винтами. Далее работаем паяльником.

Для проверки нашей конструкции после ремонта без машины собираем имитатор, хотя можно замкнуть сиреневый провод на минус, подав питание на блок управления.

После подачи питания вентилятор не должен крутиться, а при замыкании управляющего провода на «–» должен крутиться на средних оборотах. С помощью имитатора, легко регулировать скорость вращения во всем диапазоне.

В данной схеме управление вентилятором или кулером системы охлаждения происходит по сигналу термистора в течении заданного периода времени. Схема простая, собрана всего на трех транзисторах.

Эта система управления может быть использована в самых разных областях жизни, где необходимо охлаждение посредством вентилятора, например, охлаждения материнской платы ПК, в усилителях звука, в мощных блоках питания и в иных устройствах, которые в ходе своей работы могут перегреваться. Система представляет собой сочетание двух устройств: таймера и термореле.

Описание работы схемы управления вентилятором

Когда температура низкая, сопротивление термистора высокое и, следовательно, первый транзистор закрыт, потому что на его базе напряжение ниже 0,6 вольт. В это время конденсатор на 100 мкФ разряжен. Второй PNP-транзистор так же закрыт, поскольку напряжение на базе равно напряжению на его эмиттере. И третий транзистор так же заперт.

При повышении температуры, сопротивление термистора уменьшается. Таким образом, напряжение на базе первого транзистора увеличивается. Когда это напряжение превысит 0,6 В, первый транзистор начинает пропускать ток заряжая конденсатор 100 мкФ и подает отрицательный потенциал на базу второго транзистора, который открывается и включает третий транзистор, который в свою очередь активирует реле.

После того, как вентилятор включается, температура уменьшается, но конденсатор 100 мкФ разряжается постепенно, сохраняя работу вентилятора в течение некоторого времени после того, как температура приходит в норму.

Подстроичный резистор (показан на схеме как 10 ком) должен иметь значение сопротивления около 10% от сопротивления термистора при 25 градусах. Термистор применен марки EPCOS NTC B57164K104J на 100 кОм. Таким образом, сопротивление подстрочного резистора (10%) получается 10 кОм. Если вы не можете найти эту модель можно использовать другой. Например, при использовании термистора 470 кОм сопротивление подстроичного составит 47 кОм.

Схема подключения вентилятора с питанием от 12 вольт.

Схема подключения вентилятора с питанием от 220 вольт

В печатной плате можно увидеть два подстроичных резистора. Первый на 10 кОм для регулирования порога срабатывания вентилятора, второй на 1 мОм позволяет регулировать время работы после нормализации температуры. Если вам нужен больший интервал времени, то конденсатор на 100 мкФ можно увеличить до 470 мкФ. Диод 1N4005 используется для защиты транзистора от индуктивных выбросов в реле.

Решил рассказать об одной своей давней микроконтроллерной разработке (2006 год), сделанной для плавного управления электровентилятором охлаждения двигателей переднеприводных моделей ВАЗа.

Надо сказать, что на тот момент уже существовало немало разнообразных решений - от чисто аналоговых до микроконтроллерных, с той или иной степенью совершенства выполняющих нужную функцию. Одним из них был контроллер вентилятора компании Силычъ (то, что сейчас выглядит вот так , известной среди интересующихся своим автоматическим регулятором опережения зажигания, программно детектирующим детонационные стуки двигателя. Я некоторое время следил за форумом изготовителя этих устройств, пытаясь определить, чтов устройстве получилось хорошо, а что - не очень, и в результате решил разработать свое.

По задумке, в отличие от существующих на то время решений, новый девайс должен был a) помещаться в корпус обычного автомобильного реле;
б) не требовать изменений в штатной проводке автомобиля; в) не иметь регулировочных элементов; г) надежно и устойчиво работать в реальных условиях эксплуатации.

История появления девайса и алгоритм работы первой версии обсуждалась - для тех, кто не хочет кликать, опишу ключевые вещи инлайн:

1. Алгоритм работы устройства предполагался следующий: измерялось напряжение на штатном датчике температуры двигателя; по достижении нижней пороговой температуры вентилятор начинал крутится на минимальных оборотах, и в случае дальнейшего роста линейно увеличивал скорость вращения вплоть до 100% в тот момент, когда по мнению ЭСУД (контроллера управления двигателем), пора бы включать вентилятор на полную мощность.
То есть, величина температуры, соответствующая 100% включению могла быть получена при первом включении устройства, т.к. оно имеет вход, соответствующий выводу обмотки штатного реле.
Нижний порог в первой версии нужно было каким-то образом установить, проведя таким образом через две точки линейную характеристику регулирования.

0. При токах порядка 20А очевидно, что для плавного регулирования применяется ШИМ, а в качестве ключевого элемента - мощный полевик.

1. Размещение устройства в корпусе обычного реле означает практическое отсутствие радиатора теплоотвода. А это в свою очередь накладывает жесткие требования к рассеиваемой ключевым элементом мощности в статическом (сопротивление канала) и динамическом (скорость переключения) режимах - исходя из теплового сопротивления кристалл-корпус она не должна превышать 1 Вт ни при каких условиях

2. Решением для п.1 может являться либо применение драйвера полевика, либо работа на низкой частоте ШИМ.
В отличие от аналогов, из соображений компактности и помехозащищенности был выбран вариант с низкой частотой ШИМ - всего 200 Гц.

4. Программирование порога включения устройства должно быть либо очень простым, либо быть полностью автоматическим. Изначально в устройстве был установлен геркон, поднесением магнита к которому сквозь корпус программировался нижний порог (значение естественно, запоминалось в EEPROM). Верхний порог устанавливался сам в момент первого импульса от контроллера ЭСУД.
В дальнейшем я придумал и реализовал алгоритм полностью автоматической установки порогов, основанный на нахождении термостабильной точки двигателя (точки срабатывания термостата) в условиях отсутствия насыщения по теплопередаче радиатор-воздух.

5. Устройство должно предоставлять диагностику пользователю. Для этого был добавлен светодиод, который промаргивал в двоичном коде два байта - текущий код АЦП и слово флагов состояния.

Устройство было собрано частично навесным монтажом прямо на выводах бывшего реле, частично на подвернувшейся откуда-то печатной платке.
Силовой MOSFET выводом стока был припаян прямо к ламелю вывода реле, что увеличило запас по рассеиваемой мощности. Устройство без глюков проработало на ВАЗ-2112 c 2006 по 2010 год, когда я его снял перед продажей, и побывало не только в холодном питерском климате, но и на горных крымских дорогах (да еще на машине в наддувном варианте - стоял у меня на впуске приводной компрессор), несмотря на монтаж уровня прототипа и контроллер в панельке.

Вот оригинальная схема (рисовал только на бумаге):

А это вид устройства изнутри:

Устройство было повторено несколькими людьми, один из них (офф-роудер Геннадий Оломуцкий из Киева) применил его на УАЗе, нарисовав схему в sPlan и разведя печатную плату - в его варианте это выглядит так:

А вот кусок из переписки с одним из повторивших этот девайс - в нем впервые детально выписан алгоритм (!) - до этого писал прямо из мозга в ассемблер:
Теперь идея и реализация собственно алгоритма автоустановки (все шаги ниже соответствуют неустановленным порогам):

1. Ждем сигнала включения вентилятора от ЭСУД (либо от датчика температуры в радиаторе в варианте Геннадия)
2. Запоминаем температуру в момент появления сигнала как T1 (реально запоминается код канала АЦП оцифровки сигнала датчика - назовем его C1)
3. Включаем вентилятор на 100%. Ставим флаг «режим автоустановки активен (бит 3)»
4. Через 3 секунды считываем код АЦП (назовем его C1"). Это действие нужно для того, чтобы определить величину компенсации значения температуры из-за влияния тока, протекающего через вентилятор, и вызванного им падения напряжения в измерительной цепи, на оцифрованное значение температуры. Реально за 3 секунды мотор не успевает охладиться, зато вентилятор стартует и выходит на номинальный ток.
5. Вычисляем коррекцию АЦП для 100% мощности вентилятора (назовем ее K100 = C1 - C1"). Запоминаем К100.
6. Ждем снятия сигнала включения вентилятора от ЭСУД (либо отключения датчика в радиаторе).
7. Плавно снижаем мощность с 75% до 12% примерно на 1.5% в секунду.
8. Выключаем вентилятор, ждем 60 секунд.
9. Запоминаем температуру как T2 (код АЦП С2).
10. Корректируем нижний порог (увеличиваем на 1/8 разницы между верхним и нижним), для того, чтобы он был выше термостабильной точки термостата. T2 = T2 + (T1 - T2) / 8. В кодах АЦП это C2 = C2 - (C2 - C1) / 8, т.к. напряжение на датчике с ростом температуры падает.
11. Сохраняем C1, C2, K100 во внутреннем EEPROM реле.
12. Устанавливаем флаг «пороги установлены» (бит 5), снимаем флаг «режим автоустановки активен», выходим из режима автоустановки в рабочий режим

Идея алгоритма в том, что он продувает радиатор до термостабильной точки термостата, но дует не сильно, чтобы не остужать двигатель прямым охлаждением блока и головки. Затем вентилятор выключается и реле дает мотору чуть нагреться - таким образом мы автоматически получаем точку для начала работы вентилятора.

Во время автоустановки реле воспринимает сигнал с геркона в течение шагов 7 и 8 - поднесение магнита к реле в эти моменты вызывает последовательность шагов 9, 11, 12. Коррекция порога на шаге 10 при этом не производится).

Если во время автоустановки нарушились некоторые ожидаемые реле условия, устанавливается флаг «ошибка автоконфигурации (бит 4)» и реле выходит из режима автоустановки. Чтобы реле опять смогло войти в этот режим по условию шага 1, надо выключить и включить питание реле.

Ошибки ловятся такие:
Шаг 2 - значение АЦП вне диапазона (слишком низкое или высокое). Диапазон автоконфигурации по коду АЦП 248..24 (11111000...00011000). В этом случае реле просто не входит в режим автоконфигурации без установки флага ошибки.
Шаг 4 - в течение времени ожидания 3 секунд обнаружено снятие внешнего сигнала включения вентилятора.
Шаг 7 - во время снижения оборотов обнаружен активный внешний сигнал включения вентилятора Шаг 8 - во время ожидания обнаружен активный внешний сигнал включения вентилятора Шаг 11 - установленные пороги вне диапазона 248..24, либо разница C2 - C1 < 4 (то есть они слишком близко друг к другу, либо по какой-то причине C2 > C1 - например, когда вентилятор на самом деле не срабатывает, и температура продолжает расти)

Теперь рабочий режим:

Расчет требуемой мощности (Preq)
1. Если внешний сигнал активен - Preq = 100% 2. Если неактивен, то смотрится текущий код АЦП © и соответствующая ему температура T:
T < T2 (C > C2): Preq = 0%
T > T1 (C < C1): Preq = 100%
T2 <= T <= T1 (C2 >= C >= C1): Preq = Pstart + (100% - Pstart) * (C2 - C) / (C2 - C1), где Pstart = начальная мощность (12%)

При этом, требуемая мощность не сразу подается на вентилятор, а проходит через алгоритм плавного разгона и органичения частоты пуска/останова вентилятора.
Этот алгоритм работает только в рабочем режиме и при отсутствии внешнего сигнала включения:
Пусть Pcurr - текущая мощность вентилятора
1. Если Pcurr > 0 и Preq = 0, либо Pcurr = 0 и Preq > 0 - то есть требуется запуск остановленного или останов работающего вентилятора, то:
- Смотрится время находжения вентилятора в данном состоянии (запущен или остановлен). Если время меньше порога - состояние вентилятора не меняется.
- При этом, если Pcurr > Pstart и Preq = 0, то на остаток времени запущенного состояния устанавливается Pcurr = Pstart (то есть вентилятор крутится на минимальных оборотах) 2. Если п.1 не выполняется, либо время нахождения в состоянии прошло, то:
- Если Preq < Pcurr, то устанавливается Pcurr = Preq (то изменение скорости вращения в сторону снижения происходит сразу, как рассчитано новое значение)
- Если Preq > Pcurr, то набор скорости вращения ограничивается сверху величиной примерно 1.5% в секунду (кроме случая, когда включение вентилятора запрашивается внешним сигналом) - то есть если Preq - Pcurr > Pdelta, то Pcurr = Pcurr + Pdelta, иначе Pcurr = Preq

При расчете мощности используется усредненное значение кода текущей температуры С (см. Расчет требуемой мощности), получаемое средним арифметическим последних 8 значений Сm1, Cm2, Cm3… Cm8. Усреднение происходит методом «скользящего окна» - то есть помещение нового значения в буфер из 8 значений выталкивает наиболее старое и вызывает пересчет среднеарифметического С. Цикл АЦП (и пересчет среднего) происходит каждые 640 мс.
«Сырое» (считанное из АЦП) значение Cadc, прежде чем попадет в буфер подсчета, участвует в следующем алгоритме:
1. Проверяется, что Cadc > Cdisc, где Cdics - макс. Значение АЦП для неподключенного измерительного вывода.
2. Если Cadc > Cdisc, то выставляется флаг «датчик не подключен (бит 6)», значение не попадает в буфер 8 последних значений, и пересчет среднего не выполняется.
3. Если Cadc >= Cdisc - то есть датчик подключен, то Сadc корректируется на определенную величину в зависимости от текущей мощности вентилятора и величины коррекции для 100% мощности (см. шаг 4 алгоритма автоустановки): Cadc = Cadc + Кcurr, где Кcurr = К100 * (Pcurr / 100%). Если при этом Кcurr > 0, то устанавливается флаг «значение АЦП скорректировано (бит 7)». Алгоритм коррекции работает только в рабочем режиме и не работает в режиме автоконфигурации.
4. Выполняется ограничение отрицательной динамики Cadc, чтобы подавить резкие снижения С из-за импульсной нагрузки в общих с датчиком температуры цепях питания автомобиля: Если C - Cadc > Сdelta, то Cadc = C - Cdelta. Ограничение не работает в течение первых 15 секунд после включения зажигания, для того, чтобы в буфере значений быстро сформировались правильные значения Cm1, Cm2...Cm8.
5. Скорректированное по мощности и динамике значение Cadc заталкивается в буфер значений для усреднения как Cm1..Cm8 в зависимости от текущего значения указателя головы буфера (буфер циклический, указатель головы принимает значения от 1 до 8).

Теперь про диагностику светодиодом:

Первый байт - это «сырой» код АЦП (в ранних версиях здесь индицировалось среднее значение C) Второй байт - слово состояния Между первым и вторым байтом пауза порядка 1.5 секунд.
Между циклами индикации пауза 3-4 секунды.
Байты индицируются побитно, начиная со старшего (бит 7, бит 6,… бит 0).
Длинная вспышка соответствует биту, установленному в «1», короткая - в «0».

Расшифровка слова состояния:
Бит 7 - значение АЦП откорректировано по текущей мощности вентилятора
Бит 6 - датчик температуры не подключен
Бит 5 - пороги установлены
Бит 4 - ошибка установки порогов
Бит 3 - режим автоконфигурации активен
Бит 2 - внутренний сброс процессора из-за зависания - нештатная ситуация
Бит 1 - внешний сигнал включения вентилятора активен
Бит 0 - режим продувки при остановке двигателя активен

Когда я описал алгоритм, то удивился как его удалось впихнуть в 1024 слова программной памяти tiny15. Однако, со скрипом, но поместился! ЕМНИП, оставалось всего пару десятков свободных ячеек. Вот что такое сила Ассемблера:)

Это устройство разрабтатывалось для контроля температуры двигателя и управления муфтой вентилятора охлаждения и подогревателем впускного коллектора, в автомобиле Мерседес 190. Схема устройства показана на рисунке и представляет из себя обычный термометр на датчике DS18B20 и микроконтроллере PIC16F628A. Устройство измеряет температуру двигателя, отображает ее на экране и в зависимости от нее включает исполнительные устройства.

* На схеме не указано - VD3 - КС522

Измеренная температура двигателя отображается в диапазоне от 0 до 99 градусов. Если температура ниже нуля градусов, то на дисплее высвечивается Lo (низкая), а когда больше 99 градусов - высвечивается Hi (высокая). Хотя предел индикации 99 градусов, термометр все равно продолжает измерять температуру. Как только температура дойдет до 110 градусов (что для двигателя мерседеса считается нормально, он не кипит при такой температуре) - то на дисплее будет высвечено Ot (перегрев). А на выходе RA4 микроконтроллера появляется сигнал логического 0 - ошибка, этот сигнал можно использовать для включения светодиода в салоне, или для управления бипером. Сигнал на RA4 будет сброшен только после выключения зажигания, снижение температуры двигателя никакого влияния на этот сигнал уже не окажет. При температуре ниже 40 градусов будет включен подогреватель впускного коллектора. Аналогично при температуре 89 градусов будет включен вентилятор охлаждения. Чтобы снизить нагрузку на аккумулятор, устройство имеет вход который соединяется с реле стартера. Когда включен стартер, не зависимо от температуры двигателя, выключаются вентилятор и подогреватель, как только стартер будет выключен, ветилятор и подогреватель включаться согласно измеренной температуры.

Сам термометр-термостат собран на печатной плате и размещен в пластиковом корпусе. Корпус закреплен двумя саморезами прямо в моторном отсеке. Размещать прибор нужно так, чтобы он был максимально удален от высоковольтных проводов зажигания и других силовых проводов, а также как можно дальше от горячих деталей двигателя. Очень желательно применить микроконтроллер в расширенном температурным исполнением - PIC16F628A-E/P, но можно и в промышленном - PIC16F628A-I/P. Плата разработана под сдвоенный светодиодный индикатор фирмы Bright LED - BD-A816RD. По большому счету индикатор в этом устройстве и не нужен, но я его установил, чтобы не было устройство совсем простым, а так же, чтобы прямо под капотом можно увидеть температуру двигателя. Микросхемный стабилизатор 7805 нужно установить на малогабаритный радиатор - полоску алюминия. Электролитические конденсаторы нужно выбирать из морозостойких экземпляров.

Для изготовления самого датчика температуры понадобилась болванка из латуни, из нее был выточен корпус для датчика DS18B20. Этот корпус изготовлен так, чтобы он легко вкручивался на место одного из штатных датчиков (они к сожалению благополучно умерли , поэтому и пришлось разработать это устройство). Корпус желательно сделать максимально облегченным, чтобы уменьшить его температурную инерцию. Соединять датчик с платой микроконтроллера нужно экранированным термостойким проводом.

Реле устанавливаются в любом удобном месте, вне корпуса устройства, защитные диоды шутирующие их обмотки на плате уже установлены.

Естественно это устройство можно установить и в салоне. Тогда оно еще и заменит штатный термометр охлаждающей жидкости.

Модуль управления силовым агрегатом (PCM) в зависимости от температуры изменяет параметры управления двигателем автомобиля. PCM управляется сигналом, поступающим с датчика температуры(ECT) , который находится на распределителе жидкости, под катушкой зажигания. Зависимость напряжения от температуры, измеренная на датчике ECT автомобиля представлена в таблице

Указатель температуры на панели приборов, тоже включен в PCM. Однако значения, которые указывает прибор, не соответствует истинной температуре охлаждающей жидкости. При Т=45°С на приборе стрелка на 60. Затем при прогреве она доходит до деления 90 при Т=80-83°С и останавливается. Дальнейший рост температуры на показания прибора не влияет. Стрелка стоит на отметки 90. И только на 116°С прибор начинает изменять свои показания. И при температуре 120°С стрелка становится на отметку 120.

Данный алгоритм работы указателей температуры применен на многих автомобилях. И при отказах в системе охлаждения (сгоревший предохранитель, заклинивший вентилятор) легко довести температуру ОЖ до значения 110-115°С и выше. Что нежелательно сказывается на работе двигателя в целом.

Для односкоростного варианта температура включения вентилятора составляет 105°С . Для двухскоростного варианта при 94°С медленная, при 97°С максимальная скорость вентилятора.

Прочитав форум по электрооборудованию было принято решение снизить температуру включения со 105°С до 97°С. Для этого был сделан блок, который работает в параллель с PCM автомобиля и управляет вентилятором.

Принципиальная схема блока

Схема содержит два компаратора и усилитель тока. Первый компаратор включает реле вентилятора K8 и светодиод VD3 при достижении заданного напряжения на датчике температуры. Напряжение с датчика подается на вход Ud. Образцовое напряжение задается делителем R1,R2. Для создания гистерезиса в схеме включен резистор R6.Резистор подобран так, чтобы перепад межу включением и выключением составлял 80мВ., что соответствует 4°С Транзистор Q2 открывается, подает питание на реле K8 , которое включает вентилятор. Зажигается красный светодиод LED3. Происходит принудительное охлаждение радиатора двигателя.

Напряжение на датчике после этого возрастает, компаратор срабатывает, и на выходе появляется 0. Транзистор Q2 закрывается, отключая питание реле K8. Реле выключает мотор вентилятора.

На втором компараторе собран измеритель рабочей температуры. До 81°С охлаждающей жидкости горит желтый светодиод LED1. От 81°С до 97°С горит зеленый светодиод LED2, указывающий на нормальный рабочий режим.

Образцовое напряжение, соответствующее напряжению на датчике при Т=81°С, задается резисторами R8, R9.

Значение 81°С было выбрано не зря. По проведенным наблюдениям эта та температура, когда открывается термостат и включается в работу большой круг системы охлаждения двигателя.

Стабилизатор напряжения LM7809 можно заменить и на другие. Тогда придется пересчитать делители R1,R2 R8,R9 R5, и R7. Используется микросхема LM2903 (2 компаратора) , транзисторы VT1- КТ315 и VT2- КТ 815, или им подобные. Резисторами R10, R11 подбирается яркость свечения светодиодов.

Данный блок работает в параллель с РСМ автомобиля. Для включения используется основное реле K8, расположенное на блоке предохранителей.

В настройке блок не нуждается. Делителем R1,R2 выставлено напряжение 0.63-0.65 в, что соответствует Т=97°С.

При рабочей температуре и включении кондиционера могут гореть одновременно зеленый и красный светодиоды. В этом режиме вентилятор и красный светодиод включает РСМ.

Так выглядит блок.

Подвожу провод к датчику температуры

Подключение на блоке предохранителей

Блок стоит на автомобиле