Controlar la velocidad de un ventilador con PWM

Modificado por 煤ltima vez hace 1 semana

Vamos a ver c贸mo controlar la velocidad de un ventilador con PWM. En qu茅 consiste y por qu茅 hacerlo de esta manera.

Es frecuente utilizar ventiladores para la refrigeraci贸n de ordenadores, microcontroladores, fuentes, amplificadores, tarjetas gr谩ficas, etc. y controlar la velocidad de un ventilador con PWM puede ser algo muy deseable, para reducir el ruido que estos dispositivos generan.

Normalmente se trata de peque帽os ventiladores, de baja potencia, que funcionan con corriente continua y tensiones bajas de entre 5V y 12V.

Estos ventiladores tienen un motor el茅ctrico que gira las aspas y crea un flujo de aire que disipa el calor generado por los componentes.

Existen diferentes tipos de ventiladores de refrigeraci贸n, seg煤n su tama帽o, forma, n煤mero de aspas, ruido, consumo y prestaciones. Algunos ejemplos son:

  • Ventiladores axiales: son los m谩s comunes y se caracterizan por tener las aspas paralelas al eje del motor. Son adecuados para mover grandes vol煤menes de aire a baja presi贸n y se suelen colocar en la parte trasera o lateral de las cajas de ordenador.
  • Ventiladores centr铆fugos: tienen las aspas perpendiculares al eje del motor y generan un flujo de aire radial. Son m谩s eficientes que los axiales para mover aire a alta presi贸n y se suelen emplear en sistemas de refrigeraci贸n l铆quida o en fuentes de alimentaci贸n.
  • Ventiladores tangenciales: tienen las aspas dispuestas en forma de cilindro y crean un flujo de aire paralelo al eje del motor. Son muy silenciosos y se utilizan en equipos que requieren una refrigeraci贸n uniforme, como proyectores o amplificadores.

Para controlar la velocidad de estos ventiladores de baja potencia se puede utilizar la t茅cnica del PWM (Pulse Width Modulation), que consiste en variar el ancho de los pulsos el茅ctricos que alimentan el motor. De esta forma, se puede regular la potencia y el consumo del ventilador, as铆 como el nivel de ruido y la temperatura del sistema.

Si no sabes lo que es una se帽al PWM, lo explico en el siguiente art铆culo:

Para aplicar el PWM se necesita un circuito electr贸nico que genere los pulsos con la frecuencia y el ciclo de trabajo deseados. El ciclo de trabajo es el porcentaje de tiempo que el pulso est谩 en alto respecto al periodo total. Por ejemplo, un ciclo de trabajo del 50% significa que el pulso est谩 en alto la mitad del tiempo y en bajo la otra mitad.

El circuito PWM se puede construir con componentes discretos, como transistores, resistencias y condensadores, o con circuitos integrados, como el 555 o el Arduino. El circuito PWM se conecta al cable rojo del ventilador, que es el que lleva la alimentaci贸n positiva, mientras que el cable negro, que es el negativo, se conecta directamente a la fuente de alimentaci贸n. Algunos ventiladores tambi茅n tienen un cable amarillo, que es el que env铆a una se帽al con la velocidad del ventilador al sistema.

Vamos a centrarnos, por motivos pr谩cticos, en los peque帽os ventiladores de 5V DC que se utilizan en peque帽os dispositivos, como nuestros queridos mini ordenadores Raspberry Pi.

Tipos de ventiladores de 5V DC

Hay b谩sicamente tres tipos de ventiladores que podemos utilizar para refrigerar nuestros dispositivos, y a continuaci贸n vamos a ver cu谩les son y sus principales caracter铆sticas. Te adelanto que, en la mayor parte de las ocasiones, se utiliza el de primer tipo, el ventilador b谩sico DC.

Ventilador b谩sico DC (dos cables)

Se trata de un ventilador simple que lo 煤nico que tiene es un motor de motor de corriente continua que mueve las aspas. En este caso, su velocidad depender谩 el voltaje con el que lo alimentamos.

Tiene solamente dos cables, el positivo y el negativo de alimentaci贸n (que, por cierto, puedes conectar al rev茅s y el ventilador girar谩 en sentido contrario).

Son los ventiladores t铆picos, baratos, que puedes encontrar por todas partes.

Ventilador DC con salida de tac贸metro (tres cables)

Como el anterior, es un simple motor de corriente continua, exactamente igual que el anterior.

La diferencia est谩 en tiene un tercer cable (la salida del tac贸metro) que nos sirve para que nuestro dispositivo sepa a qu茅 velocidad est谩 girando el ventilador, realmente.

Ventilador DC con entrada PWM (tres cables)

Es un ventilador de corriente continua que integra, en el interior del propio ventilador, el circuito de control de velocidad que vamos a montar en esta p谩gina.

En la pr谩ctica, este ventilador no se suele encontrar. 驴Por qu茅? Pues porque el control activo por PWM normalmente necesita una salida para que el controlador sepa si est谩 girando y a qu茅 velocidad.

Este tipo de ventilador podemos hacerlo f谩cilmente, con un ventilador b谩sico DC + un circuito de control PWM. Ser谩 igual, salvo que el circuito de control estar谩 fuera del ventilador.

Ventilador DC con entrada PWM y con salida de tac贸metro (cuatro cables)

Este tipo de ventilador es una mezcla de los dos anteriores, ya que incluye el circuito para controlar su velocidad y, adem谩s, tiene salida para que el dispositivo al que est谩 conectado (una Raspberry Pi, por ejemplo) sepa a cuantas RPM est谩 girando.

Suelen ser los ventiladores de mejor calidad y m谩s silenciosos, con los mejores rodamientos y la mayor durabilidad. El problema es que suelen ser ventiladores caros (a partir de 15 euros, pero pueden llegar a 50鈧, 100鈧 y m谩s).

驴Como regular la velocidad de un ventilador DC?

B谩sicamente, hay dos formas de regular la velocidad de los peque帽os ventiladores de corriente continua (DC) que utilizamos para refrigerar nuestros dispositivos:

  • Regulaci贸n por voltaje
  • Regulaci贸n por PWM

Regular la velocidad de un ventilador por voltaje

Los ventiladores de DC que utilizamos en, por ejemplo, las Raspberry Pi suelen ser de 5V.

Esto significa que, si los alimentamos con 5V, deber铆amos (al menos en teor铆a) conseguir los resultados que nos indica el fabricante del ventilador en cuanto a velocidad, ruido, flujo de aire, consumo, etc.

Si alimentamos uno de estos ventiladores de 5V con 3.3V conseguiremos que el ventilador gire m谩s despacio (en la mayor铆a, algunos, muy pocos, ventiladores de 5V no llegan a moverse con solo 3.3V), esto tendr谩 las siguientes implicaciones:

  1. El ventilador girar谩 m谩s despacio, por lo cual har谩 menos ruido.
  2. Al girar m谩s despacio el flujo de aire bajar谩, y con 茅l su capacidad de refrigeraci贸n
  3. Consumir谩 menos energ铆a, aunque ser谩 menos eficiente

Esto nos indica que, si queremos reducir el ruido de nuestro ventilador de una forma muy sencilla, y nos podemos permitir reducir la capacidad de refrigeraci贸n sin que la Raspberry Pi se caliente demasiado (lo que normalmente no supone un problema), solo tenemos que alimentar el ventilador desde el pin de 3.3V, en lugar de hacerlo desde el pin de 5V, para conseguirlo.

Afortunadamente, alimentar el ventilador a 3.3V es muy f谩cil en la Raspberry Pi, y no necesitamos ning煤n hardware adicional, ya que tenemos una salida de 3.3V en el puerto de expansi贸n y podemos utilizarla para alimentar el ventilador.

Es obvio, pero la desventaja de este sistema es que solo podemos bajar la velocidad, no podemos regularla. Adem谩s, el ventilador girar谩 a 芦lo que toque禄 aliment谩ndolo a 3.3V, y depender谩 de cada modelo, no podemos hacer ning煤n ajuste.

Regular la velocidad de un ventilador por PWM

La segunda forma de regular la velocidad de un ventilador, y la mejor para nuestros objetivos, es utilizando un tipo de se帽al llamado PWM (Pulse Width Modulation o Modulaci贸n por Anchura de Pulsos).

No te preocupes si no sabes lo que es una se帽al PWM, tienes un art铆culo en el blog en el que explico, de forma sencilla, que es una se帽al PWM.

La gran ventaja de utilizar una se帽al PWM es que podemos hacer girar el ventilador a la velocidad que queramos, entre el m铆nimo que admita el ventilador (por debajo de ese m铆nimo, que depende de cada ventilador, 茅ste simplemente se parar谩, mientras intenta girar) y el m谩ximo correspondiente a su voltaje de alimentaci贸n nominal (menos las p茅rdidas que, en su caso, genere nuestro circuito).

Otra ventaja de utilizar PWM es que muchos ordenadores modernos y microcontroladores est谩n especialmente dotados para generar esa se帽al de forma nativa. Incluso su hardware incluye generadores de PWM que no necesitan la participaci贸n de la CPU, u otros elementos, para funcionar.

Tambi茅n tiene una peque帽a desventaja, y es que, en la mayor铆a de las ocasiones, vamos a necesitar algunos componentes electr贸nicos adicionales para controlar el ventilador mediante PWM, ya que la se帽al PWM que proporciona a nuestro dispositivo (el Arduino o la Raspberry Pi, por ejemplo) es demasiado 芦peque帽a禄 y es necesario 芦amplificarla禄.

驴Y ahora qu茅?

Ahora que ya sabemos c贸mo controlar la velocidad de un motor mediante una se帽al PWM, queda lo m谩s divertido, implementarlo.

En el siguiente art铆culo puedes ver en detalle c贸mo construir un driver (controlador) con un transistor BJT.

Encontrar谩s en el blog un tutorial en que podr谩s ver c贸mo controlar un ventilador mediante PWM en una Raspberry Pi 4:

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