مراوح التبريد DC: المقاسات والجهد والأسلاك والتحكم في السرعة وكيف تختار المناسب

قائمة المحتويات

1. مقدمة.
2. كيف تعمل مروحة DC.
3. مقاسات المراوح وتباعد الثقوب.
4. الجهد والتيار والقدرة.
5. سلكان وثلاثة وأربعة أسلاك.
6. تدفق الهواء والضغط الساكن.
7. المحامل وعمر المروحة.
8. التركيب واتجاه تدفق الهواء.
9. تغذية المروحة.
10. تشغيل المروحة بـ MOSFET.
11. التحكم في سرعة المروحة.
12. استخدام المروحة مع المشتت الحراري.
13. الأغطية والفلاتر والسلامة.
14. مراوح السيرفر والمراوح الصناعية.
15. كيف تختار مروحة.
16. حل المشكلات.
17. عدة بداية لمشاريع المراوح.
18. أسئلة شائعة.
19. الخلاصة.

زمن القراءة 15 دقيقة.

1. مقدمة

الحرارة هي أكثر أسباب فشل المشاريع الإلكترونية بطئًا: منظّم جهد يسخن أكثر من اللازم، أو درايفر محركات يتوقف، أو مصدر طاقة يتعطل بعد صيف واحد. ومروحة DC صغيرة هي غالبًا أرخص حل وأبسطه. لكن المراوح تأتي بمقاسات وجهود وعدد أسلاك مختلفة، والاختيار بالشكل وحده ينتهي بمروحة لا تركّب، أو لا تدور، أو أعلى صوتًا بكثير مما توقعت.

يشرح هذا الدليل كيف تعمل مروحة DC، وكيف تقرأ مقاسها وتباعد ثقوبها، وكيف تحوّل الجهد والتيار إلى واط، وماذا تفعل الأسلاك الاثنان والثلاثة والأربعة، والفرق بين تدفق الهواء والضغط الساكن، وأنواع المحامل، وكيف تركّب المروحة لتنفخ في الاتجاه الصحيح، وكيف تغذّيها وتشغّلها بـ MOSFET، وكيف تتحكم في سرعتها، وكيف تستخدمها مع المشتت الحراري، وكيف تحل مشكلة مروحة لا تتصرف كما يجب. وفي كل قسم أرقام محسوبة يمكنك مقارنتها بصفحة المنتج.

2. كيف تعمل مروحة DC

تقريبًا كل مروحة DC صغيرة هي محرك عديم الفرش (Brushless). حلقة من المغناطيسات الدائمة على الجزء الدوار، والملفات ثابتة في الإطار، ودائرة صغيرة داخل المروحة تبدّل الملفات بالترتيب الصحيح. وحساس (غالبًا حساس هول) يخبر الدائرة أين المغناطيسات. ولأن الإلكترونيات مدمجة، تحتاج المروحة مصدر DC فقط: سلكان يكفيان لتدور.

• عدم وجود فرش يعني لا شرر ولا تآكل فرش، فيتوقف عمر المروحة غالبًا على المحمل.
• الدائرة المدمجة هي سبب أن تبديل السلكين لا يعكس اتجاه المروحة. المروحة عديمة الفرش تدور في اتجاه واحد فقط، والقطبية المعكوسة تجعلها تقف أو تتلف دائرتها في بعض المراوح.
• مراوح DC تعمل بجهد منخفض (5 أو 12 أو 24 أو 48 فولت). ومراوح AC تعمل مباشرة من الشبكة (مثل 110 أو 220 فولت) وهي منتج مختلف: راجع مراوح AC. وهذا الدليل عن مراوح DC منخفضة الجهد فقط.
• المراوح المحورية (Axial) (النوع المربع الشائع) تحرّك الهواء على امتداد المحور. والنفّاخات (Blowers) تدفع الهواء جانبيًا بضغط أعلى.

تصفّح كل مراوح DC وقسم حلول التبريد الأوسع.

3. مقاسات المراوح وتباعد الثقوب

تُسمّى المروحة بالمقاس الخارجي لإطارها المربع وسمكها: 80x80x25 مم تعني عرض 80 مم وارتفاع 80 مم وسمك 25 مم. أما مقاس الريش فأصغر. وعندما تستبدل مروحة أو تركّبها على مشتت حراري أو علبة، فالرقم الذي يجب أن يتطابق هو المسافة بين ثقوب التثبيت.

المروحة الأكبر تحرّك الهواء نفسه بسرعة أقل، فتكون أهدأ. والسمك مهم أيضًا: السمك 25 مم هو المعتاد، والمروحة بسمك 10 إلى 15 مم تدخل في الأماكن الضيقة لكنها تحرّك هواءً أقل، والمروحة بسمك 38 مم أسمك وأقوى وتسحب عادة تيارًا أكبر. وبعض الإعلانات تسمّي إطار 92 مم “90 مم”: فإذا أردت التأكد، فقِس تباعد الثقوب (82.5 مم لمقاس 92 مم).

4. الجهد والتيار والقدرة

الجهد المكتوب على المروحة هو الجهد المقنَّن (Rated Voltage): الجهد الذي صُممت لتعمل عليه. وتُصنع المراوح الصغيرة لـ 5 و12 و24 و48 فولت. استخدم الجهد المقنَّن، واقرأ التيار: فهو يخبرك بما يجب أن يوفره مصدرك. والقدرة بالواط تساوي الجهد في التيار:

القدرة (واط) = الجهد (فولت) × التيار (أمبير)

• عدة مراوح: اجمع تياراتها. ثلاث مراوح 12 فولت بتيار 0.38 أمبير تحتاج نحو 1.14 أمبير من المصدر.
• هامش أمان: اختر مصدرًا يوفر أكثر من المجموع بوضوح، لأن المروحة تسحب تيارًا أكبر أثناء الإقلاع.
• لا تشغّل مروحة فوق جهدها المقنَّن أبدًا. مروحة 5 فولت على 12 فولت تتلف. ومروحة 12 فولت على 5 فولت قد لا تبدأ الدوران أصلًا، وإن دارت فهي تحرّك هواءً قليلًا.
• افحص بالملتيميتر: قِس جهد المصدر قبل توصيل المروحة. راجع كيف تستخدم الملتيميتر.

5. سلكان وثلاثة وأربعة أسلاك

عدد الأسلاك يخبرك بما تستطيع المروحة أن تُبلغ به وما يمكن أن يُطلب منها:

قراءة التاكو. عدّ النبضات في الثانية ثم حوّل: RPM = النبضات في الثانية × 60 ÷ 2 للمروحة التي تعطي نبضتين لكل دورة. مثلًا 100 نبضة في الثانية تساوي 100 × 60 ÷ 2 = 3000 دورة في الدقيقة. وخرج التاكو عادة من نوع Open Collector، فتحتاج اللوحة مقاومة رفع (Pull-up) إلى جهد المنطق.

الموصلات. تأتي المراوح الصغيرة بموصّل من طرفين، وتنتشر رؤوس بثلاثة أو أربعة أطراف بخطوة 2.54 مم في المراوح بنمط الحاسوب. والألوان معتادة وليست معيارًا، ومراوح السيرفر قد تُوصَّل بشكل مختلف، فارجع إلى الداتاشيت. وللقوابس والأغلفة راجع دليل كتل التوصيل وموصلات JST وموصلات JST.

6. تدفق الهواء والضغط الساكن

تعطي الداتاشيت رقمين أهم من المقاس: تدفق الهواء والضغط الساكن (Static Pressure).

• تدفق الهواء هو كمية الهواء التي تحرّكها المروحة في الهواء الحر، دون عائق أمامها. ويُذكر بوحدة CFM (قدم مكعب في الدقيقة) أو م³/ساعة. والـ 1 CFM يساوي نحو 1.7 م³/ساعة.
• الضغط الساكن هو قدرة المروحة على الدفع ضد المقاومة، ويُذكر بوحدة mmH₂O أو باسكال. والمشتت ذو الزعانف المتقاربة أو فلتر الغبار أو القناة الضيقة يصنع مقاومة.
• الرقمان مرتبطان: كلما زادت المقاومة قلّ الهواء الذي تحرّكه المروحة فعلًا. ومروحة بتدفق عالٍ وضغط منخفض قد تخيّب الأمل أمام مشتت كثيف.

المراوح الأسرع (RPM) تحرّك هواءً أكثر وتُصدر ضجيجًا أكثر. فمثلًا يذكر إعلان H.R.Y 8025S24V سرعة 4000 دورة في الدقيقة، ويذكر إعلان H.R.Y 12025S12V سرعة 2700 دورة في الدقيقة لإطار أكبر.

7. المحامل وعمر المروحة

في المروحة عديمة الفرش المحمل هو الجزء الذي يتآكل. وهذه الأنواع المعتادة:

تذكر الداتاشيت العمر بالساعات عند درجة حرارة محددة. ويقل العمر بسرعة كلما سخنت المروحة، فمروحة في مخرج علبة ساخنة تعيش أقل من المروحة نفسها في هواء بارد. وتظهر على ملصق إعلانات H.R.Y عبارة المحمل الانزلاقي، فانتبه للوضع عند التركيب.

8. التركيب واتجاه تدفق الهواء

مروحة تنفخ في الاتجاه الخطأ هي أشهر أخطاء المبتدئين. انظر إلى الإطار: سهمان محفوران فيه، أحدهما لاتجاه تدفق الهواء والآخر لاتجاه دوران الريش. وعادة يكون الجانب الذي فيه أذرع المحرك هو الجانب الذي يخرج منه الهواء، لكن اتبع الأسهم دائمًا.

• سحب من أسفل وطرد من أعلى. الهواء الدافئ يصعد، فضع مروحة الطرد عاليًا ومروحة السحب منخفضة.
• دع الهواء يصل إلى الجزء الساخن. يجب ألا تسد القطع والكابلات الطريق بين المروحتين.
• لا تُعد تدوير الهواء. إذا قربت فتحة السحب جدًا من فتحة الطرد، سحبت المروحة الهواء الساخن الذي خرج للتو.
• ثبّت بإحكام دون إفراط. أربعة مسامير أو قواعد مطاطية لتقليل الاهتزاز. والمسامير المشدودة جدًا قد تشوّه الإطار البلاستيكي.
• أبعد الكابل عن الريش واربطه حتى لا يلمسها.
• اترك مساحة حرة أمام فتحة السحب، وإلا اختنقت المروحة وعلا ضجيجها.

9. تغذية المروحة

تحتاج المروحة مصدرًا بجهدها المقنَّن يستطيع أن يوفر تيارها. وثلاث قواعد عملية:

• لا تغذِّ مروحة من طرف ميكروكنترولر أبدًا. الطرف في لوحة عادية يعطي نحو 20 مللي أمبير، والمروحة الصغيرة تحتاج 100 مللي أمبير أو أكثر. فيُحمَّل الطرف فوق طاقته.
• استخدم المصدر الصحيح. مروحة 5 فولت تعمل من مصدر USB أو خط 5 فولت منظَّم بتيار كافٍ. ومروحة 12 فولت تحتاج مصدر 12 فولت. وإذا كان في اللوحة جهد أعلى والمروحة تحتاج 5 أو 12 فولت، فاستخدم محوّلًا خافضًا: راجع دليل محوّل Buck مقابل LDO. ومقاومة على التوالي لـ “إسقاط” الجهد تهدر قدرة وتعطي سرعة تتغير مع الحمل.
• اربط الأرضي. عندما يتحكم ميكروكنترولر بمروحة لها مصدرها، يجب توصيل أرضي الاثنين معًا.

افحص القطبية قبل تطبيق الطاقة. الأحمر عادة هو الموجب والأسود هو الأرضي، والمروحة المعكوسة غالبًا لا تعمل وقد تتلف. وعندما تطيل الأسلاك استخدم موصّلًا مناسبًا أو وصلة ملحومة مع عازل منكمش: راجع دليل اللحام.

10. تشغيل المروحة بـ MOSFET

لتشغيل المروحة وإيقافها من ميكروكنترولر، أو لتغيير سرعتها بـ PWM، استخدم MOSFET من نوع N بمستوى منطقي (Logic-Level) كمفتاح في جانب الأرضي للمروحة:

1. صِل المروحة بين الموجب والصرف (Drain) في الـ MOSFET. ويذهب المصدر (Source) إلى الأرضي.
2. صِل طرف الميكروكنترولر بـ البوابة (Gate) عبر مقاومة 100 Ω، وأضف مقاومة 10 kΩ من البوابة إلى الأرضي لتبقى المروحة مطفأة أثناء إعادة تشغيل اللوحة.
3. ضع صمام Flyback على المروحة، وحزامه (المهبط) ناحية الموجب. فهو يعطي تيار ملف المحرك مسارًا عند إطفاء الـ MOSFET.
4. اربط أرضي الميكروكنترولر بأرضي مصدر المروحة.

اختيار الـ MOSFET. يجب أن يكون بمستوى منطقي: أي أن مقاومته عند التوصيل Rds(on) محددة عند جهد البوابة الذي تعطيه لوحتك (3.3 أو 5 فولت). وتيارات المراوح صغيرة، فيبقى الـ MOSFET باردًا: مع مروحة 0.38 أمبير وـ MOSFET بمقاومة 0.05 Ω تكون الخسارة 0.38² × 0.05 ≈ 0.007 واط. راجع دليل MOSFET كمفتاح لتفاصيل تشغيل البوابة، ودليل الصمامات لصمام Flyback.

تردد PWM. لوحة Arduino Uno العادية تعطي نحو 490 أو 980 هرتز، وقد تُصدر المروحة صفيرًا عند هذا التردد. والتردد الأعلى، حتى نحو 25 كيلوهرتز، أهدأ. وبعض المراوح ذات الإلكترونيات المدمجة لا تحب التغذية المقطّعة، خاصة عند دورات عمل منخفضة، فجرّب المروحة التي تستخدمها. والمروحة بأربعة أسلاك تتجنب المشكلة لأن لها مدخل PWM خاصًا بها.

تصفّح ترانزستورات MOSFET واقرأ دليل الترانزستورات للمراوح الصغيرة التي يمكن لترانزستور BJT تشغيلها.

11. التحكم في سرعة المروحة

المروحة بأقصى سرعة غالبًا أعلى صوتًا مما يلزم. وإبطاؤها يخفّض الضجيج والقدرة كثيرًا، لأن تدفق الهواء يتبع السرعة، والضغط يتبع مربع السرعة، والقدرة تتبع مكعب السرعة (انظر المخطط في شكل الأسلاك). وعند نصف السرعة تحرّك المروحة نحو نصف الهواء بنحو ثُمن القدرة.

للمراوح الصغيرة التي تعمل بـ USB قد تكفي وحدة جاهزة بمقبض: وحدة HW-602 للتحكم في سرعة مروحة USB مدرجة في المتجر، وتذكر صفحتها الجهد المدعوم. تأكد أن المروحة والوحدة بالجهد نفسه.

12. استخدام المروحة مع المشتت الحراري

المشتت الحراري ينشر الحرارة على سطح أكبر، والمروحة تجعل هذا السطح أكثر فعالية بكثير، لأن الهواء المتحرك يأخذ الحرارة أسرع من الهواء الساكن. وتتبع حرارة القطعة المقاومات الحرارية على التوالي:

حرارة القطعة = حرارة المحيط + القدرة × (Rθ الوصلة-الغلاف + Rθ الغلاف-المشتت + Rθ المشتت-الهواء)

مثال. قطعة تبدّد 6 واط والمقاومة الحرارية الكلية 8 °م/واط. الارتفاع = 6 × 8 = 48 °م، فتصل القطعة في غرفة 25 °م إلى نحو 73 °م. وتدفق هواء المروحة يخفّض مقاومة المشتت-الهواء، وداتاشيت المشتت تبيّن عادة بكم من أجل تدفق معين. وتعطي الـ 6 واط نفسها ارتفاعًا أقل.

• الملامسة أولًا. يجب أن تضغط القطعة بشكل مسطّح على المشتت، مع معجون حراري أو وسادة، ومسمار محكم. ومروحة ممتازة لا تفيد مشتتًا سائبًا.
• انفخ على امتداد الزعانف. يجب أن يمر الهواء بين الزعانف، لا أن يصطدم بها من الجانب دون مخرج.
• طابق الحجم. ينبغي أن تكون المروحة بحجم منطقة الزعانف تقريبًا، حتى لا تبقى زعانف في هواء ساكن.
• لا تنسَ بقية العلبة. المروحة على المشتت تنقل الحرارة إلى داخل العلبة، التي ما زالت تحتاج إلى مخرج.

يضم المتجر مشتتات حرارية لقطع صغيرة مثل حزم TO-220 وTO-247 ولشرائح درايفر المحركات. تصفّح المشتتات الحرارية واقرأ دليل MOSFET لمعرفة كيف تقدّر القدرة التي تبددها القطعة.

13. الأغطية والفلاتر والسلامة

المروحة الدوارة قد تؤذي إصبعًا، والمروحة في مكان مغبر تمتلئ تدريجيًا بالغبار. والغطاء والفلتر يحلان الأمرين، بثمن بسيط من تدفق الهواء.

• أغطية الأصابع (النوع المعدني السلكي) تحمي الريش والمستخدم. اختر ما يناسب مقاس الإطار.
• الفلاتر تلتقط الغبار. والفلتر المسدود يقلل تدفق الهواء كثيرًا، فنظّفه من وقت لآخر.
• الأسلاك والأشياء السائبة يجب أن تبقى بعيدة عن الريش. فالكابل العالق في مروحة قد يوقفها أو يتمزق.
• مراوح الشبكة أمر مختلف. مروحة AC تحمل جهد الشبكة ولا يوصّلها إلا شخص مدرَّب.

14. مراوح السيرفر والمراوح الصناعية

يضم المتجر أيضًا مراوح سيرفر وصناعية كثيرة من شركات مثل Delta وSanyo Denki وNidec وSunon وPapst، مدرجة بحالة مستعملة كالجديدة (Used Like New). وهي مصنوعة لتدفق عالٍ وعمر طويل، وتختلف عن المراوح الصغيرة:

• تيار وقدرة أعلى. مروحة سيرفر 12 فولت قد تسحب من 1 إلى 4 أمبير، أي من 12 إلى 48 واط. تأكد أن المصدر والأسلاك تتحمل ذلك.
• سرعة وضجيج أعلى. فهي مصممة للضغط والتدفق لا للهدوء.
• إصدارات 48 فولت موجودة للاتصالات والاستخدام الصناعي. لا تخلطها بمصادر 12 فولت.
• أربعة أسلاك وموصلات خاصة. كثير منها له مدخل PWM وتاكو، وبعضها بـ 6 أطراف. ابحث عن الداتاشيت برقم القطعة وافحص ترتيب الأطراف قبل توصيل الطاقة.
• مستعملة. هي مدرجة كمستعملة، فاختبر واحدة بمصدر يستطيع توفير تيارها المقنَّن.

تصفّح قسم مراوح DC وصفِّ بحسب الجهد والمقاس اللذين تحتاجهما.

15. كيف تختار مروحة

اتبع هذه الخطوات بالترتيب:

1. المساحة: قِس المكان المخصص للمروحة، وتباعد الثقوب إذا كانت ستُثبَّت على شيء.
2. الجهد: طابق المصدر الذي لديك: 5 أو 12 أو 24 أو 48 فولت.
3. التيار: تأكد أن المصدر يستطيع توفير تيار المروحة، مع هامش.
4. التدفق أو الضغط: فتحة مفتوحة تعني تدفقًا، ومشتت أو فلتر يعني ضغطًا.
5. الضجيج: فضّل أكبر مروحة تناسب المكان، وشغّلها ببطء.
6. الأسلاك: سلكان للتشغيل والإيقاف، وثلاثة لقراءة السرعة، وأربعة للتحكم بـ PWM.
7. المحمل: كرات لعمر طويل أو أي وضع، وانزلاقي للهدوء والتكلفة المنخفضة.
8. الإضافات: غطاء وفلتر وموصّل ومسامير.

16. حل المشكلات

17. عدة بداية لمشاريع المراوح

18. أسئلة شائعة

ما الفرق بين مروحة DC ومروحة AC؟

مروحة DC تعمل بجهد منخفض مثل 5 أو 12 أو 24 فولت وفيها إلكترونيات خاصة بها. ومروحة AC تعمل من الشبكة. وهذا الدليل عن مراوح DC.

هل أشغّل مروحة 12 فولت على 5 فولت؟

قد لا تبدأ الدوران، وإن دارت فهي تحرّك هواءً قليلًا. ولمروحة أبطأ تحكّم في السرعة بشكل صحيح، بوحدة تحكم أو بـ PWM.

هل أغذّي مروحة من طرف Arduino؟

لا. الطرف يعطي نحو 20 مللي أمبير. استخدم MOSFET بمستوى منطقي لتشغيل المروحة من مصدرها الخاص.

ماذا يفعل السلك الثالث والرابع؟

السلك الثالث هو التاكو، ويعطي نبضات لتقرأ السرعة. والسلك الرابع مدخل PWM يضبط السرعة.

كيف أعرف في أي اتجاه تنفخ المروحة؟

اتبع سهم تدفق الهواء المحفور في الإطار. وعادة يخرج الهواء من الجانب الذي فيه أذرع المحرك.

لماذا تبدو المروحة الأكبر أهدأ؟

لأنها تحرّك الهواء نفسه بسرعة أقل، والضجيج يزيد بسرعة مع السرعة.

هل أحتاج صمامًا مع المروحة؟

عندما تشغّل مروحة بسلكين بـ MOSFET، فصمام Flyback على المروحة حماية رخيصة من قفزة الجهد الناتجة عن ملف المحرك.

كم تعيش المروحة؟

يتوقف ذلك على المحمل ودرجة الحرارة. وتعطي الداتاشيت ساعات عند حرارة محددة، والمروحة الأبرد تعيش أطول.

19. الخلاصة

اختر المروحة بالمقاس وتباعد الثقوب، وطابق جهدها المقنَّن، وتأكد أن مصدرك يوفر تيارها. استخدم سلكين للتشغيل والإيقاف البسيط، وثلاثة لقراءة السرعة، وأربعة للتحكم بـ PWM. ركّبها لتنفخ في الاتجاه الصحيح، وضع الطرد عاليًا والسحب منخفضًا، واستخدم MOSFET بمستوى منطقي مع صمام Flyback عندما يتحكم بها ميكروكنترولر. والمروحة الأكبر المشغَّلة ببطء هي الحل الهادئ، والمشتت الجيد الملامسة مع تدفق هواء على امتداد زعانفه هو أكثر ما يفيد القطعة التي تريد إبقاءها باردة.

وعندما تبدأ البناء تصفّح مراوح DC ومراوح التبريد والمشتتات الحرارية وترانزستورات MOSFET وكل حلول التبريد في ميكرز إلكترونيكس.