INFORMAZIONI TECNICHE

Le ventole del PC 
Il motore brushless


Nella forma più essenziale si tratta di due transistor bipolari che hanno come carico di collettore le bobine dello statore. Alternando la conduzione dell' uno e dell' altro, si scambiano in sequenza le polarità magnetiche, il che porta in rotazione il magnete permanente collegato alle pale.

Ci si può chiedere come faccia un così semplice sistema ad avviarsi e a stabilizzarsi.
Il sistema più brutale è quello di far oscillare semplicemente i transistor come una specie di flip-flop : date le masse e le ridotte potenze in gioco, oltre che al carico che è praticamente fisso,  in breve il sistema si stabilizzerà da solo.  Ovviamente un metodo così barbaro non viene in pratica impiegato, perchè teoricamente è possibile che il rotore si venga a trovare in una posizione critica per cui è impossibilitato ad iniziare a girare. 

Il metodo adottato universalmente per sincronizzare e stabilizzare il tutto, si basa sull' aggiunta di un sensore di Hall : si tratta di un semiconduttore sensibile al campo magnetico che viene attivato dalla posizione dei poli del magnete permanente che ruota e sincronizza la commutazione dei transistor. 

Nelle forme più semplici, il circuito elettrico del motore brushless delle ventole è il seguente :
I transistor Q1 e Q2 comandano le bobine poste sulle espansioni polari dello statore. La loro connessione fa si che uno solo alla volta  possa condurre.

Il sensore di Hall sincronizza gli impulsi con la rotazione del magnete permanente legato alla parte girante assieme alle pale.
Un condensatore provvede ad una specie di timing degli impulsi ed all' avviamento.
Il principio di funzionamento è semplice : il magnete permanete presenta una coppia di poli Nord-Sud, che, all' atto dell' arrivo della tensione si trova in una posizione casuale rispetto al sensore di Hall. In dipendenza della posizione del magnete, il sensore è attivato oppure no e comanda la base del primo transistor Q1; quando questo è in conduzione, non lo è il secondo transistor Q2 (e viceversa). Quando il transistor conduce, una corrente attraversa la bobina collegata al suo collettore e si genera un campo magnetico su una coppia delle espansioni polari dello statore fisso; questo tende a far ruotare il magnete permanente in modo da allineare le relative polarità magnetiche. La rotazione del magnete permanente sposta i poli N-S rispetto al sensore di Hall, che scambia la conduzione dei due transistor, attivando l' altra coppia polare dello statore. Il succedersi delle commutazioni delle bobine mantiene in rotazione il magnete permanente (collegato alle pale), sincronizzando gli impulsi allo statore con il segnale proveniente dal sensore di Hall; l' energia che viene inviata alle bobine va a pareggiare la resistenza dovuta al movimento delle pale che spingono l' aria. In breve la rotazione si stabilizza e si mantiene praticamente costante entro un certo limite di carico.  In questo modo si genera un campo magnetico "rotante" sufficientemente stabile sulle bobine dello statore senza avere un collettore.
La velocità nominale raggiunta dipende dalle caratteristiche delle parti elettriche e meccaniche della ventola.

 

In queste foto vediamo un esempio di come si presenta un esemplare del circuito qui sopra descritto, facente parte di una ventola da 80 mm.

Il sensore di Hall si trova posizionato tra due espansioni polari dello statore in quanto è la situazione ideale.
Date le ridotte dimensioni dell' insieme, è stato necessario posizionare allo steso modo anche gli altri componenti, che in questo esempio sono comuni elementi discreti reperibili in un qualunque negozio di elettronica.

A sinistra si notano i cavi rosso e nero dell' alimentazione. 

La strana seghettatura del circuito stampato li vicino è dovuta al procedimento di fabbricazione in cui se ne stampano molti pezzi in una sola lastra, che poi vengono divisi lungo perforazioni, un po' come per i francobolli.

Un diodo (D1) in serie all' alimentazione protegge il tutto dalle inversioni di polarità, anche se va ben ricordato che esso può NON essere presente in tutti i modelli.

In questa immagine si nota in primo piano il piccolissimo sensore di Hall con la faccia sensibile rivolta all' esterno (verso il magnete permanente), montato su un supporto di plastica che lo mantiene rigidamente posizionato. 

I componenti sono saldati nel modo tradizionale al circuito stampato mono faccia.

Il pacco dei lamierini metallici e gli avvolgimenti dello statore sono sostenuti da un supporto di plastica  che serve anche come guida per i sottili fili delle bobine.

Questa è una variazione sul tema precedente in cui sono presenti due condensatori di temporizzazione.

Questi circuiti sono realizzati, straordinariamente, anche con transistor PNP, probabilmente in base a valutazioni del progettista sul costo dei componenti al momento disponibili.
Questa è una realizzazione pratica del circuito qui sopra descritto.

Da notare la forma particolare delle espansioni polari, poste agli estremi del cilindro che contiene gli avvolgimenti.

Al centro sporge leggermente la bronzina di supporto dell' asse.

In primo piano, senza alcuna sigla, si vede il piccolo sensore di Hall, mentre a destra si intravedono una resistenza e il diodo di protezione e a sinistra uno dei transistor, piegato sotto lo statore. 

Mancando il segnale tachimetrico, la ventola dispone solo del filo rosso e nero di alimentazione.

Ovviamente i sistemi qui descritti sono in grado di fornire solo potenze molto piccole, dell' ordine massimo di qualche  watt, con una precisione ed una stabilità limitate.  Esistono molti altri sistemi molto più sofisticati per realizzare motori brushless, con prestazioni migliori sia per efficienza che per potenza, ma non risulta siano adottati in questo genere di oggetti in cui il costo è fattore essenziale.

Lo schema indicato è molto grezzo e non prevede alcuna protezione nel caso di blocco della parte rotante, nè per le extra tensioni di commutazione dei transistor, che hanno carichi di collettore fortemente induttivi (bobine avvolte su ferro); così pure il timing e l' avviamento sono dipendenti in modo abbastanza aleatorio solo dal condensatore C1 e dai fattori meccanici del complesso.

Una domanda che ci si potrebbe porre è la seguente : siccome all' atto dell' avviamento la posizione reciproca tra poli dello statore e poli del rotore è casuale, la probabilità di iniziare a girare in un senso piuttosto che nell' altro è analoga. Come ami allora le ventole girano in un ben determinato senso ?
La risposta è semplice : come si può notare dalle foto precedenti, le espansioni polari dello statore sono asimmetriche, ovvero sono più pronunciate sul alto sinistro, dato che le ventole, viste dal lato "pale", ruotano in senso anti orario, per espellere l' aria dal lato opposto. nella foto qui sopra la dissimmetria è molto pronunciata.
Anche in questa foto si può notare bene come le espansioni polari siano più pronunciate su un lato che sull' altro.

Lo statore nell' esempio, tratto da una ventola da 40 mm, ha un controller integrato, visibile in alto (il rettangolo nero con la scritta HI), che sostituisce i componenti discreti prima visti, sensore di Hall compreso, tutto in un unico pezzo grande pochi millimetri quadrati.

La ventola è provvista di segnale tachimetrico e quindi ha tre fili. 

In questo esempio, lo statore ha una forma abbastanza singolare, disponendo di espansioni polari senza avvolgimenti tra quelle principali.

Queste espansioni "passive" sono chiaramente asimmetriche.

Le espansioni principali invece, sono state rese asimmetriche eliminando uno spigolo dei lamierini.

In queste condizioni, il flusso magnetico non è perfettamente centrato sul polo, ma è prevalente su un lato, dando così la preminenZa ad un senso di rotazione piuttosto che all' altro. Questa struttura consente alla ventola di avviarsi in una unica direzione.

 

Oggi, in gran parte delle ventole prodotte, si è rilevato che corrispondono alle foto qui sopra : i componenti discreti di base sono stati sostituiti da uno speciale circuito integrato che raccoglie in se transistor oscillatori, sensore di Hall ed eventuale driver del segnale tachimetrico, timing e protezioni in un unico componente, il che non solo migliora le prestazioni, ma semplifica ulteriormente la struttura elettrica del motore. 

 



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Aggiornato il 06/03/07.