PWMコントロール機能付きのDCファンを速度調整できるように、PWMコントローラを作ってみました。

PWMコントロール機能付きのDCファン

PWMコントロール機能付きのDCファンは、DCファンに回転速度を調節するためのPWM入力ピンが追加されています。

購入したDCファンには、速度調整用のPWM入力ピンと、ファンの回転を検出してパルスが出力されるFGピンがありました。

このPWM入力ピンに、PWM波形を入力することで、そのデューティによって回転数を変化させることができます。

回路

ブロック図

回路は大きく分けて電源生成と、PWM生成の２つになります。

電源生成は、DCファン用の12Vから回路の電源の5Vを生成するのと、PWM生成回路に使う2.5Vのリファレンス電圧を生成します。

PWM生成は、三角波を生成しコンパレータでPWM波形に変換します。バッファを経由してPWM波形が出力されます。

回路図

電源部

DCファンは12Vで動作します。その電源を使って回路を駆動させるのですが、PWMの信号が12Vのため回路を5Vで動作さます。そのためボルテージレギュレータを使い12Vから5Vに変換します。回路はほどんど電流を必要としないので、78L05を選定しました。

三角波の発生やその比較には、正確な電圧が必要となるので、高精度レギュレータLM431を使って正確な2.5Vを生成します。

三角波生成部

コンパレータとオペアンプを使って、三角波を生成します。

1段目のLM393はコンパレータです。出力電圧がVrefの半分を上回ったらOFFになり、反対にVrefの半分を下回ったらONします。その後にMOS-FETがあるために出力が反転し、2段目のオペアンプの出力が反転するので、発振させる役割をしています。また安定して発振させるためにヒステリシスを持たせています。

2段目のMC33072はオペアンプで、積分器としての役割をしています。1段目のLM393がONし、MOS-FETがONすると、4.7nFのコンデンサの電荷を引き抜き出力振幅が増大します。逆にLM393がOFFすると、Vrefからコンデンサに電荷が注入され出力振幅が減少します。MOS-FETのON、OFFによって出力振幅が単調増加、単調減少することから三角波が発生します。

MC33072はスルーレートの高い高速単電源オペアンプです。

PWM生成部

三角波の波形を、ボリウムで設定した電圧で比較することで、PWM信号に変換します。トランジスタのスイッチング速度を上げるために、ベースにコンデンサとショットキーダイオードを追加してみました。

組み立て

裏面にも表面実装部品を使うことで、5cm x 5cm程度のサイズに回路を収めることができました。

実験

波形

三角波生成部の三角波の波形です。とても綺麗な三角波が生成できています。

こちらがPWM出力の波形です。ボリウムを調節すると、PWMのデューティが変化することがわかります。

バッファがプッシュプルではなく、PNPトランジスタのオープンコレクタタイプなので、立ち上がりは速いですが立ち下がりが少し鈍ってしまっています。

動作

PWMコントロール機能付きのDCファンをつないで実験です。ボリウムを調整すると、ファンのスピードも変化しました。正常に動作することがわかりました。

このファンは最大3A(36W)も消費するドライヤーのようなものすごい風量の高出力のファンなのですが、今回作ったPWMコントローラを使うことで、ごく弱い風量からものすごい風量まで自在に調節できるようになりました。

PWMコントローラ回路大成功です。