БЛОК РЕГУЛИРОВАНИЯ СКОРОСТИ ВРАЩЕНИЯ ВЕНТИЛЯТОРА АВТОМОБИЛЬНОЙ КЛИМАТИЧЕСКОЙ УСТАНОВКИ

Заявляемая полезная модель относится к транспортному машиностроению, в частности, к управлению отопительной установкой и/или кондиционером автомобиля.
Известны различные устройства для управления отопительной установкой и/или кондиционером транспортного средства (см., например, патенты РФ на изобретения NN 2211156, 2299133, 2365073, патенты РФ на полезные модели NN 15696, 39303, 43499, 43500, 43501 и др.).
Известен также регулятор частоты вращения низковольтных коллекторных двигателей, см. журнал “Схемотехника”, N 3, 2003, с.17-18. Некоторые конструктивные особенности указанных известных решений существенно ограничивают область их использования, например, из-за необходимости наличия нескольких сложных и дорогостоящих контуров циркуляции теплоносителя, низкой технологичности сборки, высокой стоимости радиаторов и высокого теплового сопротивления между теплоотводящими фланцами активных компонентов и радиаторов.
Известны также блоки регулирования скорости вращения вентилятора отопительно-вентиляционной установки (ОВУ) транспортного средства, выполненные с использованием широтно-импульсного модулятора (ШИМ), управляемого им транзисторного силового ключа в цепи питания электродвигателя вентилятора и запирающего диода, в частности диода Шоттки, предназначенного для защиты транзистора силового ключа от ЭДС самоиндукции, возникающей в обмотке электродвигателя вентилятора при его коммутации (см., например, патенты RU 2236956 С1, B60H 1/06, 27.09.2004; RU 61200 U1, B60H 1/06, 27.02.2007).
В известных блоках регулирования скорости вращения вентилятора ОВУ для монтажа составных конструктивных элементов используются, как правило, печатные платы, установленные на одной стороне подложки, а для рассеяния выделяющегося тепла - радиаторы, скрепленные с подложкой с другой ее стороны. Однако, уровень теплоотвода в этих блоках довольно низкий.
Известны также блоки регулирования скорости вращения вентилятора, в которых для рассеяния выделяющегося тепла применяются специальные кулеры, на радиаторах которых силовые ключи крепятся через термопроводящую пасту и диэлектрические прокладки из слюды (см., например, патент RU 94193 U1, B60L 1/12, 20.05.2010). Однако, использование для кулеров вспомогательных вентиляторов предопределяет высокую стоимость таких устройств.
Известен также блок регулирования скорости вращения вентиля тора с указанным выше функциональным построением, выполненный с печатной платой, радиатором и фиксирующим приспособлением, с помощью которого печатная плата прижимается к радиатору через изолирующую прокладку(см. патент US N 2006256493, H02H 5/04, 16.11.2006).
Недостатками данного блока являются низкий КПД в рассеянии выделяющегося тепла и нетехнологичный характер сборки.
Наиболее близким техническим решением по технической сущности и достигаемому эффекту от его использования к заявляемому решению является известный блок регулирования скорости вращения вентилятора автомобильной климатической установки по патенту РФ на полезную модель N 107104, B60H 1/00, 2011.
Данный блок содержит две неподвижно скрепленные между собой печатные платы. На первой плате расположены схема управления длительностью включения силового полевого транзистора в цепи питания электродвигателя вентилятора и сглаживающий электролитический конденсатор, а на второй - упомянутый силовой полевой транзистор и диод Шоттки, выполняющий функции шунтирования обмотки электродвигателя вентилятора для гашения электромагнитных выбросов и поддержания тока в цепи электродвигателя при отключенном полевом транзисторе.
Вторая плата, являясь одновременно крепежным и теплоотводяшим элементом (теплоотводящая плата), выполнена металлизированной с двух сторон со сквозными металлизированными отверстиями. При этом печатные платы скреплены между собой посредством пайки и/или торцевых зубцов на второй плате и установочных отверстий для них на первой плате. Для придания конструкции дополнительной жесткости полевой транзистор и диод Шоттки скреплены с обеими печатными платами посредством пайки и крепежных элементов, а провода колодки питания и управления, а также колодки подключения электродвигателя припаяны к печатным платам.
Вышеуказанная конструкция блока, хотя и позволяет обеспечивать регулирование скорости вращения вентилятора ОВУ транспортного средства, однако, ее использование ограничено, во-первых, наличием схемы управления длительностью включения полевого транзистора, частично дублирующей работу основного процессора управления работой климатической установки транспортного средства, снижая тем самым технологичность изготовления и надежность работы блока регулирования скорости вращения вентилятора автомобильной климатической установки, а также повышая его себестоимость;
во-вторых, необходимостью применения для крепления полевого транзистора и диода Шоттки кроме пайки дополнительных крепежных элементов, что также снижает технологичность изготовления и надежность работы заявляемого блока, а также повышает его себестоимость;
в-третьих, расположение диода Шоттки в произвольном месте относительно полевого транзистора исключает возможность контроля теплообмена между транзистором и диодом, что дополнительно снижает надежность работы блока;
в-четвертых, произвольная компоновка элементов известного блока приводит к высоким помехам блока в питающую сеть, что, в свою очередь, снижает безопасность эксплуатации транспортного средства, в котором установлен данный блок.
Задачей, на решение которой направлена заявляемая полезная модель, является расширение арсенала уже имеющихся технических средств, связанных с дальнейшим повышением эффективности использования блоков подобного типа путем расширения области их использования за счет упрощения изготовления, монтажа и демонтажа, а также за счет повышения надежности эксплуатации как самих блоков, так и ОВУ транспортных средств, на которые их будут устанавливать (например, автомобилей).
Данная задача решается с помощью технического результата от использования заявляемой полезной модели, заключающегося,
во-первых, в повышении надежности работы блока, в повышении технологичности и снижении себестоимости его изготовления путем упрощения его конструкции За счет исключения дублирующего элемента, а также путем исключения необходимости применения для крепления полевого транзистора и диода Шоттки кроме пайки дополнительных крепежных элементов;
во-вторых, в повышении надежности работы блока путем обеспечения контроля теплообмена между полевым транзистором и диодом Шоттки;
в-третьих, в повышении надежности работы ОВУ и транспортного средства в целом путем исключения нештатного уровня помех от работы блока в питающую сеть транспортного средства.
Введение в конструкцию блока новых элементов, а также особое выполнение уже имеющихся элементов позволяет существенно повысить надежность работы и улучшить условия эксплуатации как самого блока, так и агрегатов, в которые он устанавливается, да и транспортного средства в целом.
Указанный технический результат достигается тем, что в известном блоке регулирования скорости (далее “БРС”) вращения вентилятора автомобильной климатической установки, содержащим две неподвижно скрепленные между собой первую и вторую печатные платы, на первой плате расположен первый конденсатор (электролитический), а на второй - силовой полевой транзистор /далее полевой транзистор/ и диод Шоттки, причем вторая печатная плата выполнена металлизированной с двух сторон со сквозными металлизированными отверстиями, кроме этого, первая и вторая печатные платы неподвижно скреплены между собой, с полевым транзистором, с диодом Шоттки и с проводами колодки питания и управления, а также с проводами колодки подключения электродвигателя посредством пайки,
во-первых, на первой плате размещен схема управления силовым полевым транзистором, выполненная в виде микросхемы, первого, второго, третьего, четвертого и пятого резисторов, второго конденсатора, первого, второго и третьего стабилитронов, при этом анод первого стабилитрона подключен к первому плюсовому выводу микросхемы и через пятый резистор - к минусовому проводу (минусовой шине управления) колодки питания и управления, первый минусовой вывод микросхемы через третий (ограничивающий) резистор подключен к полевому транзистору, катод первого стабилитрона подключен к аноду второго стабилитрона и к катоду третьего стабилитрона, второй конденсатор подключен с одной стороны ко второму, третьему и четвертому плюсовым выводам микросхемы, а с другой стороны - ко второму и третьему минусовым выводам микросхемы,
во-вторых, на первой плате размещена опционально устанавливаемая первая демпферная цепь, состоящая из первого набора параллельно соединенных между собой шестого и седьмого резисторов, подключенных с одной стороны к минусовому проводу колодки подключения электродвигателя, а с другой стороны через третий конденсатор подключенных ко второму конденсатору и к проводу минусового питания (минусовой шине) БРС,
в-третьих, имеется фильтр напряжения питающей сети, состоящий из набора параллельно соединенных конденсаторов: первого (электролитического) и нескольких керамических - четвертого, пятого, шестого и седьмого, включенных между плюсовым проводом колодки питания и управления и минусовой шиной и подключенных через второй резистор - к катоду второго стабилитрона,
в-четвертых, на второй плате опционально установлена вторая демпферная цепь, состоящая из второго набора параллельно соединенных восьмого и девятого резисторов, подключенных с одной стороны к плюсовому проводу колодки подключения электродвигателя, а с другой стороны - через параллельно соединенные восьмой и девятый конденсаторы - к минусовому проводу колодки подключения электродвигателя,
в-пятых, диод Шоттки расположен на теплоотводящей второй плате развернутым относительно полевого транзистора на 180 градусов так, что выводы анода диода расположены в непосредственной близости от теплоотводящего фланца полевого транзистора, являющегося одновременно стоком полевого транзистора,
в-шестых, как показали эксперименты, для обеспечения максимально высокой степени теплоотвода вторую плату при толщине платы 1,5 мм целесообразно выполнять со следующим соотношением оптимальных параметров: t/d/n, где
t - толщина медной фольги с металлизацией основы с двух сторон в пределах от 35 до 70 мкм;
d - диаметр сквозных металлизированных отверстий в пределах от 1,2 до 1,8 мм;
n - количество отверстий под теплоотводящими фланцами полевого транзистора и диода Шоттки в пределах от 6 до 11 отверстий.
Заявляемая полезная модель пояснена чертежами, на которых:
- на Фиг.1 изображена принципиальная электрическая схема предлагаемого блока регулирования скорости вращения вентилятора автомобильной климатической установки;
- на Фиг.2 изображен вид сзади предлагаемого БРС;
- на Фиг.3 изображен вид сверху предлагаемого БРС;
- на Фиг.4 изображен вид сбоку предлагаемого БРС.
Предлагаемый блок регулирования скорости вращения вентилятора автомобильной климатической установки содержит две неподвижно скрепленные между собой первую 1 и вторую 2 печатные платы. На первой плате 1 расположен первый конденсатор 3 (электролитический), а на второй - силовой полевой транзистор 4 (например, типа IRF3205), включенный в цепи питания электродвигателя вентилятора (на чертеже не показаны) и диод Шоттки 5 (например, типа MBR1645), выполняющий функцию шунтирования обмотки электродвигателя вентилятора для гашения электромагнитных выбросов и поддержания тока в цепи электродвигателя вентилятора при отключенном силовом полевом транзисторе 4. Вторая плата 2 выполнена металлизированной с двух сторон со сквозными металлизированными отверстиями (на чертеже не показаны), при этом, печатные платы первая 1 и вторая 2 скреплены между собой, с полевым транзистором 4 и с диодом Шоттки 5 посредством пайки. Кроме этого, минусовой провод 6 (PWM) колодки питания и управления (минусовая шина управления), плюсовой провод 7 (+Uvb) колодки питания и управления, а также минусовой провод 8 (-Um) и плюсовой провод 9 (+Um) колодки подключения электродвигателя припаяны также к печатным платам 1 и 2.
На первой плате 1 размещена схема 10 управления силовым полевым транзистором 4, выполненная в виде микросхемы 11, первого 12, второго 13, третьего 14, четвертого 15 и пятого 16 резисторов, второго конденсатора 17, первого 18, второго 19 и третьего 20 стабилитронов. При этом анод первого стабилитрона 18 подключен к первому плюсовому выводу 21 (IN) микросхемы 11 и через пятый резистор 16 - к минусовому проводу (минусовой шине управления) 6 (PWM) колодки питания и управления.
Первый минусовой вывод 22 (OL) микросхемы 11 через третий (ограничивающий) резистор 14 подключен к полевому транзистору 4. Катод первого стабилитрона 18 подключен к аноду второго стабилитрона 19 и к катоду третьего стабилитрона 20.
Второй конденсатор 17 подключен с одной стороны к плюсовым выводам микросхемы 11 - второму 23 (BST), третьему 24 (СО) и четвертому 25 (Vcc), а с другой стороны - к выводам минусового питания микросхемы 11 - второму 26 (GND) и третьему 27 (SW).
Кроме этого, на первой плате 1 размещена опционально устанавливаемая первая демпферная цепь 28, состоящая из первого набора параллельно соединенных между собой шестого 29 и седьмого 30 резисторов, подключенных с одной стороны к минусовому проводу 8 (-Um) колодки подключения электродвигателя, а с другой стороны через третий конденсатор 31 подключенных ко второму конденсатору 17 и к проводу GND минусового питания БРС (минусовой шине).
Имеется также фильтр 32 напряжения питающей сети, состоящий из набора параллельно соединенных конденсаторов: первого (электролитического) конденсатора 3 и нескольких керамических - четвертого 33, пятого 34, шестого 35 и седьмого 36, включенных между плюсовым проводом 7 (+Uvb) колодки питания и управления и минусовой шиной (GND) и через второй резистор 13 - к катоду второго стабилитрона 19.
На второй плате 2 дополнительно опционально установлена вторая демпферная цепь 37, состоящая из второго набора параллельно соединенных восьмого 38 и девятого 39 резисторов, подключенных с одной стороны к плюсовому проводу 9 (+Um) колодки подключения электродвигателя, а с другой стороны - через параллельно соединенные восьмой 40 и девятый 41 конденсаторы - к минусовому проводу 8 (-Urn) колодки подключения электродвигателя.
Диод Шоттки 5 расположен на теплоотводящей второй плате 2 развернутым относительно полевого транзистора 4 на 180 градусов так, что вывод (выводы) анода диода 5 расположен (расположены) в непосредственной близости от теплоотводящего фланца (на чертеже не показан) полевого транзистора 4, являющегося одновременно стоком полевого транзистора 4.
Вторая плата для обеспечения максимально высокой степени теплоотвода при толщине платы 1,5 мм выполнена со следующим соотношением оптимальных параметров:
t/d/n, где
t - толщина медной фольги с металлизацией основы с двух сторон в пределах от 35 до 70 мкм;
d - диаметр сквозных металлизированных отверстий в пределах от 1,2 до 1,8 мм;
n - количество отверстий под теплоотводящими фланцами полевого транзистора и диода Шоттки в пределах от 6 до 11 отверстий.
Предлагаемое выполнение конструкции блока (БРС) обеспечивает минимальную величину теплового сопротивления между теплоотводящими фланцами силовых компонентов и теплоотводящей поверхностью второй платы. Заливка отверстий припоем также способствует повышению надежности изделия, т.к. повышается прочность соединения и его стабильность при длительном воздействии вибрации и перегрузок.
Наиболее быстрая и качественная заливка отверстий припоем происходит в отверстиях диаметром 1,2-1,8 мм. Отпадает необходимость в применении дополнительных элементов крепежа, инструментах и технологических операциях.
Опционально устанавливаемые для достижения лучших показателей по ЭМИ-совместимости демпферные цепи располагаются в непосредственной близости от выводов силовых компонентов. Предлагаемое взаимное расположение диода 5 и транзистора 4 позволяет существенно снизить индуктивность соединения стока транзистора 4 с анодом диода 5 и, как следствие, снизить выбросы напряжения и паразитные колебания во время переключения транзистора 4.
Паяное соединение теплоотводящей второй платы 2 со стороны транзистора 4 является одновременно электрическим соединением стока транзистора 4 с силовой дорожкой стока транзистора 4, тем самым снижая сопротивление транзистора 4 во включенном состоянии и уменьшая его нагрев. Силовые дорожки питающей сети проходят под теплоотводящей второй платой 2, а паяное соединение теплоотводящей второй платы 2 с плюсовой силовой дорожкой со стороны диода 5 находится в непосредственной близости от керамических конденсаторов фильтра напряжения питающей сети.
Таким образом, ток от электродвигателя вентилятора при Закрытии транзистора 4 замыкается через диод Шоттки 5 на питающую сеть кратчайшим путем в районе фильтра 28, что Значительно снижает помехи от блока в питающую сеть. Отсутствие необходимости в дополнительных элементах крепежа транзистора 4 и диода 5, а также плат 1 и 2 между собой упрощает сборку и улучшает технологичность процесса сборки. В первой плате 1 выполнены два центрирующих паза (на чертеже не показаны) для точной установки второй платы 2 при окончательной сборке, а на краях второй платы 2 имеются два центрирующих выступа (на чертеже не показаны), являющихся одновременно силовой дорожкой стока транзистора 4 и силовой дорожкой катода диода Шоттки 5.
Предлагаемый блок эксплуатируется следующим образом.
При подаче напряжения в бортовую сеть первый резистор 12 притягивает напряжение на выводе 21 (IN) микросхемы 11 к уровню 5,6 В.
На выводе 22 (OL) микросхемы 11 при этом присутствует напряжение менее 0,5 В и полевой транзистор 4 закрыт. При замыкании входа блока на минусовой (массовый) провод бортсети на выводе 21 (IN) микросхемы 11 напряжение становится менее 0,8 В и на выводе 22 (OL) микросхемы 11 появляется напряжение 11 В.
При этом полевой транзистор 4 открывается и в цепи питания электродвигателя вентилятора начинает увеличиваться протекающий ток. При длительном открытии транзистора 4 рост тока ограничится параметрами электродвигателя при имеющейся нагрузке. При регулировке оборотов электродвигателя с помощью ШИМ-модуляции транзистор 4 переключается с частотой, как минимум, в несколько килогерц. В этом случае при выключении транзистора 4 ток в цепи электродвигателя не может прекратиться мгновенно из-за энергии, накопленной в индуктивности обмоток электродвигателя, и ЭДС самоиндукции может достигнуть опасных для транзистора 4 величин.
Для замыкания тока электродвигателя во избежание выбросов напряжения на закрытом транзисторе 4 в блоке установлен диод Шоттки 5.
Из-за неидеальности силовых компонентов их токоведущие выводы и соединяющие их дорожки имеют индуктивность, которая оказывает существенное влияние на их надежность при больших токах в цепях.
Размещение анодного вывода диода Шоттки 5 рядом с выводом стока транзистора 4 уменьшает индуктивность между ними, что позволяет получать меньшие выбросы напряжения на стоке транзистора в момент его выключения.
Для более мягкой траектории переключения транзистора 4 и еще большего снижения выбросов переходных процессов во время переключения транзистора 4 опционально устанавливаются демпферные RC-цепи (первая демпферная цепь 28 и вторая демпферная цепь 37) параллельно транзистору 4 и диоду Шоттки 5. Размещенные в непосредственной близости от ключевого полевого транзистора 4 и силовых проводов блока (7 /+Uvb/ и 27 /GND/), фильтрующие конденсаторы (четвертый конденсатор 33, пятый 34, шестой 35, седьмой 36) имеют минимальную индуктивность дорожек между указанными конденсаторами и силовыми проводами (7 /+Uvb/ и 37 /GND/) и таким образом существенно снижают уровень помех в бортовую сеть.
Изготовленные опытные образцы предлагаемого блока и проведенные испытания его работы подтвердили высокую надежность его работы с оптимальными параметрами, относительно низкой себестоимостью и с требуемыми по ГОСТ 2827 9-89 низкими показателями электромагнитного излучения.
Использование заявляемой полезной модели позволяет:
1. Существенно повысить надежность работы блока (БРС) путем снижения нагрузки на силовые компоненты блока за счет повышения надежности теплового контакта силовых компонентов с теплоотводом, а также уменьшения выбросов напряжения на силовых компонентах в моменты их переключения, и соответствующего снижения уровня помех в бортовую сеть;
2. Повысить технологичность изготовления блока путем исключения дополнительных крепежных элементов силовых компонентов блока.
3. Упростить конструкцию блока и ОВУ путем исключения дополнительных крепежных элементов и передачи их функций втулкам из припоя.