PWM Lüfterregelung im Eigenbau

[Doctor Sid]

Hi Leute!

Ich möchte eine simple Lüfterregelung bauen, welche einen Temperatursensor ausliest und einen Lüfter im PWM Verfahren ansteuert.

Konkret soll der Sensor an der Seite eines Radiators angebracht werden, um die Wassertemperatur zu bestimmen. Angesteuert wird ein 120mm Papst Lüfter, der auf dem Radiator sitzt.

Mein Regelungskonzept ist dem Diagramm zu entnehmen:
Steigt die Temperatur über einen Schwellwert T1, soll der Lüfter mit der geringstmöglichen Drehzahl anlaufen (hier 30%). Die Drehzahl soll linear mit der Temperatur ansteigen, bis sie bei T2 ihr Maximum erreicht.
Damit es in der Nähe von T1 nicht zu ständigem Ein/Ausschalten kommt, sollte man hier vermutlich für das Ein- und das Ausschalten 2 verschiedene Schwellwerte setzen (der Einfachheit halber im Diagramm nicht berücksichtigt).

Komfortabel wäre es, wenn man T1 und T2 variabel einstellen könnte. Zwecks geringerer Kosten und Komplexität könnte ich darauf aber verzichten.

Leider fehlen mir die notwendigen Kenntnisse der Elektrotechnik, um eine solche Schaltung zu entwerfen. Ich wäre sehr dankbar, wenn mich jemand vom Fach bei diesem Vorhaben unterstützen würde. Verbesserungsvorschläge jeder Art sind stets willkommen. Ich denke ich bin nicht der einzige, der eine solche Schaltung umsetzen würde.

 

[Doctor Sid]

Hier noch eine verbesserte Grafik.
Die Differenz zwischen T-ein und T-aus würde ich auf ca. 3° festlegen, abhängig von der Genauigkeit des Sensors.

 

[Morgoth]

Wenn ich das richtig verstehe, willst Du Dir also eine zusammenlöten?

Wie sind denn Deine Erfahrungen im Schaltungsdesign und -aufbau?

Erstmal zur PWM:

zentrales Bauteil ist ein invertierender Komparator.
Die Eingangsspannungen sind die Spannung der Temperaturdiode (positiver Eingang, Uref) und eine Dreiecksspannung (negativer Eingang, Ue). Dann bekommst Du eine Rechteckausgangsspannung, bei der die Breite des positiven Bereiches abhängig von Uref ist.
Das ist schon ein PWM-Signal.

Uref muss ja noch irgendwie erzeugt werden. Ich vermute mal (weiß es aber nicht), dass Temperaturdioden NTCs oder PTCs sind. An die ist eine Spannung angelegt, von der ein Teil natürlich an der Diode abfällt. Ein OP, wie er im Komparator verbaut ist, hat aber einen (fast) unendlich hohen Eingangswiderstand, deshalb muss vorher ein Spannungsteiler eingebaut werden.
Ein NTC, dessen Widerstand mit zunehmender Temperatur kleiner wird, gehört dabei in die Zuleitung, ein PTC (Widerstand wird mit zunehmender Temperatur größer) muss hinter dem Eingangswiderstand auf Masse gelegt werden.

Weil wir am Ausgang mit einer negativen Spannung nichts anfangen können, ist die Versorgungsspannung des OPs asymmetrisch. +5V müssten reichen, dann muss man bei der nachfolgende Schaltung nicht so sehr aufpassen.

Fertig ist der PW-Modulator. Ein Schaltbild habe als "PW-Modulator.png" angehängt. Über die Bauteilewerte müsste man sich nochmal unterhalten, nur der OP741 steht praktisch fest: günstig, überall zu bekommen, und vor allem vorkompensiert. Der ideale Bastler-OP.

Hinter den PW-Modulator muss jetzt eigentlich nur noch ein passender Transistor geschaltet werden (FET), der schaltet abhängig vom PWM-Signal den Lüfter an oder aus. Eventuell müsste da noch ein LC-Tiefpass hin, aber eigentlich nicht, da der Lüfter selbst wie ein Integrator wirkt. Einen unruhigen Lauf des Lüfters gleicht man besser durch eine höherfrequente Dreiecksspannung aus.

Zum Schwellwert:
dazu würde ich über einen weiteren Komparator die Dreiecksspannung ein oder ausschalten (besser: auf Masse legen, damit keine Dreckeffekte doch noch ein PWM-Signal erzeugen).
Du willst dann noch eine Differenz zwischen Tein und Taus, das macht man über eine Hyterese-Kurve. Dazu bastelt man einen Komparator mit ebensolcher Kurve, einen Schmitt-Trigger.

So, alles in allem benötigst Du 2 Transistoren und (wahrscheinlich) 4 OPs (davon 2 für die Dreiecksspannung, allerdings weiß ich nicht ob die Schaltung für Deine Zwecke geeignet ist).

Hoffe, Dir geholfen zu haben.

Gruß
Morgoth

 

[nobody_]

. Ein Schaltbild habe als "PW-Modulator.png" angehängt.

Wo finde ich diesen Anhang?

/edit: ok, hat sich erledigt....

 

[Morgoth]

Ja, mir fiel es auch wenige Minuten später auf

Gruß
Morgoth

 

[powerhawk]

Wieso willst du dir PWM antun?

1.) Viele Lüfter reagieren darauf mit einem modulierten Ton - das heißt, das Ding ist lauter als im normalen Vollbetrieb.

2.) Es verkompliziert deine Schaltung deutlich.

Ansonsten kannst du nämlich einfach die Spannung des Sensors an einen OPV hängen, an dem du die entsprechende Verstärkung einstellst (abh. von Sensor). Allerdings hast du dann immer noch das Problem der Einschaltschwellen. Das wird sich allerdings nicht so einfach lösen lassen.

Das reine Einschalten ließe sich zwar über eine Zenerdiode machen (öffnet erst ab einer bestimmten Spannung) - allerdings kannst du so keine Hysterese implementieren...


PS: Eine Temp-Diode arbeitet genauso wie ein NTC/PTC nur erhöht sich die Spannung eben nicht linear, sondern entlang der Diodenkennlinie - es ist somit eine viel feinere Messung in einem dafür eingeschränkten Bereich möglich.

 

[Morgoth]

Wieso willst du dir PWM antun?

Ganz einfach: mit einer normalen Regelung wird der Steuertransistor immer irgendwo in der Mitte seiner Kennlinie betrieben, hat also erhebliche Verlustleistung zu bewältigen. Im schlimmsten Fall muss der sogar selber gekühlt werden. Bei der PWM gibt es nur die Zustände an oder aus, nahezu keine Verlustleistung.

Einen OP kann man als Treiber für den Lüfter nicht nehmen, der kommt mit der Belastung nicht klar, außer man nimmt ein Spezialteil, und das kostet wieder mehr Geld.

Bei der einfachen Regelung benötigt man also auch min. 1 OP und einen Transistor. Die Schwellenspannung würde ich ähnlich wie vorher realisieren: über einen Schmitt-Trigger und nachgeschaltetem Transistor einfach die Betriebsspannung des Steuer-Ts ein- oder ausschalten.

Gruß
Morgoth

 

[powerhawk]

@Morgoth

Das mit der Verlustleistung ist mir schon klar...aber da die meisten Lüfter mit 1-1,5W auskommen, sollte die leicht verkraftbar sein.

Eine andere Lösung wär aber ein 7805 (+5V Spannungsregler) und die Lüfter automatisch zwischen 0V - 5V - 12V schalten (nicht stufenlos, aber immer noch geregelt).

Damit hast du praktisch auch keine Verluste und trotzdem einen einfachen Aufbau.

 

[nobody_]

@Morgoth

Das mit der Verlustleistung ist mir schon klar...aber da die meisten Lüfter mit 1-1,5W auskommen, sollte die leicht verkraftbar sein.

Du musst aber die Spannungen mit betrachten. Luefter laufen normalerweise mit 12V, OPs liefern diese Spannung nicht bzw arbeiten mit niedrigeren Spannungen. Um einen Treibertransistor kommt man hier nicht herum. (Davon abgesehen kann man einen OP741 nicht mit mehr als etwa 100mW (geschaetzt) belasten)

Eine andere Lösung wär aber ein 7805 (+5V Spannungsregler) und die Lüfter automatisch zwischen 0V - 5V - 12V schalten (nicht stufenlos, aber immer noch geregelt).

Dann wurde ich doch aber gleich keinen Festspannungsregler nehmen sondern einen regelbaren, der mit 12V eingangsseitig zwischen 1 und 12V ausgangsseitig stufenlos liefern kann.
Das ist dann in der Tat die einfachste Realisierung aber der Luefter laeuft eben immer.

Damit hast du praktisch auch keine Verluste und trotzdem einen einfachen Aufbau.

Das ist ein Irrglaube. Hoehere Verluste als in Linearreglern kann es gar nicht geben. Die Regelung macht naemlich nix anderes als den Teil der im Regler-IC verbraten wird zu variieren. Die Gesamt-Verlustleisting (Regler+Luefter) ist konstant und immer die maximale Verlustleistung.

 

[Morgoth]

Das mit der Verlustleistung ist mir schon klar...aber da die meisten Lüfter mit 1-1,5W auskommen, sollte die leicht verkraftbar sein.

Naja, ist schon was dran.

Eine andere Lösung wär aber ein 7805 (+5V Spannungsregler) und die Lüfter automatisch zwischen 0V - 5V - 12V schalten (nicht stufenlos, aber immer noch geregelt).

Wenn man den Ausgang über die Temp-Diode auf Common rückkoppelt und das dann über einen R auf Masse legt, kann man auch stufenlos die Spannung regeln. Die Ausgangsspannung berechnet sich dann nach:
V(Out)=V(IC)*(1+R(Diode)/R)+R*I(B)
I(B) bewegt sich dabei im mA-Bereich, der letzte Term ist also nahezu vernachlässigbar.

So kann man auch eine stufenlose Regelung aufbauen, durch Spielen an R kann man den Bereich komfortabel verändern.

Das mit der Schwellenspannung mit Hyterese sollten wir jetzt endlich mal beiseite legen, das ist doch nun wirklich einfach, scheinbar wird es nur gerne überlesen:

ein Schmitt-Trigger ist ein Komparator mit Hyterese. Die Hysterese-Breite lässt sich einfach über den Mitkopplungs-R einstellen. Die Referenzspannung erzeugt man mit einem Poti aus den 5V des Netzteils. Mit der Ausgangsspannung schaltet man einen Transistor entweder durch oder sperrend. An diesem Transistor liegen die 12V für den Lüfter.
Die einzige wirklich Arbeit ist, am Poti die richtige Referenzspannung einzustellen.

Gegenüber der PWM muss man da übrigens an einem Widerstand mehr rumfummeln, um den idealen Betriebszustand zu erreichen.

Gruß
Morgoth

 

[Doctor Sid]

Nachdem gestern keine einzige Antwort kam, dachte ich schon, es gäbe in diesem Forum keine Bastler.
Das war wohl ein Irrtum
Eine wirklich konstruktive Diskussion!
Ich bitte, meine passive Beteiligung zu entschuldigen, da die Ausführungen in vielen Punkten mein Wissen übersteigen.
Morgen werde ich mir Zeit nehmen, die einzelnen Vorschläge zu "studieren".

Ich habe denselben Thread im Meisterkühler Forum angestoßen.
Wer möchte, kann hier einen Blick rein werfen: http://forum.meisterkuehler.de/viewtopic.php?t=3686

 

[Morgoth]

Dann möchte ich mal gleich Deinen dortigen Gesprächspartner zitieren:

Drehzahl linear mit der Temperatur laufen lassen macht wenig Sinn, weil ja das Zeil sicher sein wird die Temperatur konstant zu halten. Somit muss die Drehzahl so steigen, dass die Temperatur immer gehalten wird.

Sobald Du die Lüfterdrehzahl abhängig von der Temperatur machst, hast Du schon einen Regelkreis aufgebaut, der immer danach strebt, die Regelgröße (die Temperatur) auf einem konstanten Wert zu halten.

Das heißt, wenn die Temperatur ansteigt, dreht der Lüfter schneller, was zur Folge hat, dass mehr Wärme abgeführt wird und die Temperatur daraufhin natürlich sinkt.
Es könnte Dir natürlich passieren, dass der Regelkreis anfängt zu schwingen, aber dazu hat man bei solchen Systemen, wo mit Luft Wärme abgepumpt wird, eine viel zu große Zeitkonstante, das wird nicht vorkommen (je steiler die Drehzahl-Temperatur-Kennlinie, umso stärker natürlich auch die Tendenz zum Schwingen).

Durch eine nichtlineare Kennlinie lässt sich das vielleicht feiner machen bzw. der Arbeitspunkt liegt bei einer niedrigeren Temperatur, nur soll die mal einer realisieren (wenn die Temperaturdiode schon genügend nicht-linear ist, ist das aber auch schon wieder erledigt).

Welcher Wert das ist, hängt von verschiedenen Faktoren ab, Fördermenge des Lüfters, Wärmeleitfähigkeit des Radiators, Kennlinie der Temp-Diode, Verlustleistung Deines Rechners abhängig von der Auslastung. Da fange ich gar nicht erst an zu rechnen, da musst Du ein wenig mit rumspielen.

Der Ton, von dem einige gesprochen haben, ist durchaus logisch, lässt sich aber einfach dadurch vermeiden, dass man die Dreieckspannung hochfrequent genug macht. Der Mittelwert des PWM-Signals bleibt dabei ebenso hoch wie bei einer niederfrequenten Modulation, aber die Dauer von AN bzw. AUS ist jeweils kürzer, damit wird der Ton höher und lässt sich so bequem außerhalb des hörbaren Bereiches drücken. Einziger Nachteil ist (durch schnellere Reaktion auf Temperaturänderungen) die erhöhte Neigung zum Schwingen. Aber, wie schon gesagt, das glaube ich nicht das so etwas passieren wird.

Noch ein weiterer Grund für PWM: lineare Regelung kann jeder

Gruß
Morgoth

P.S.: die Lösung mit nem µC ist doch wohl wirklich übertrieben, oder?

 

[powerhawk]

@nobody

Du kannst entweder gleich einen Leistungs-OPV nehmen (da gibts auch welche, die 5W locker packen). Ich meinte eigentlich, hinter den OPV noch einen Treiber (Transistor oder FET) zu hängen. Is billiger...

Wenn du PWM nimmst, bin ich gespannt auf die Ergebnisse. Möcht da dann auf jeden Fall Details von dir hören

Edit:
Apropos, du könntest dir auch mal die berühmten Motor-Treiber Bausteine anschauen. Die übernehmen die Ansteuerung fast vollständig für dich. Je nach Baustein brauchst du dann nur ein Rechteck-Signal oder kannst sogar direkt mit dem (vorverstärkten) DC-Signal von der Sensor-Diode drauffahren.

 

[nobody_]

Das ist ein Irrglaube. Hoehere Verluste als in Linearreglern kann es gar nicht geben. Die Regelung macht naemlich nix anderes als den Teil der im Regler-IC verbraten wird zu variieren. Die Gesamt-Verlustleisting (Regler+Luefter) ist konstant und immer die maximale Verlustleistung.

Vielleicht ist es noch niemandem augefallen aber trotzdem muss ich den Unsinn korrigieren den ich da geschrieben habe.

Die Gesamt-Verlustleistung ist natuerlich nicht konstant sondern steigt linear mit der Lüfterdrehzahl (der Belastung am Regler-Ausgang). Konstant (lastunabhängig) ist dagegen das Verhältnis von der im Linearregler verbratenen Leistung zu der vom Lüfter verbratenen im jeweils betrachteten Zeitpunkt.

 

[Doctor Sid]

Wie ich gerade ausprobiert habe läuft der Lüfter problemlos bei 5V an und ist dabei praktisch unhörbar.
Es spricht also nichts dagegen, ihn ständig auf dieser Stufe laufen zu lassen.
Das Ausschalten fiele dadurch komplett weg und somit auch die Hysteresekurve.

Für PWM spricht eigentlich nur noch, dass keine unnötige Leistung verbraten wird.
Ich bin zwar Perfektionist, aber bei den 1,25W die der Lüfter maximal zieht, dürfte dieser Verlust akzeptabel sein.
Entscheiden soll der Preis. Ich nehme an, die analoge Ansteuerung ist günstiger?

 

[nobody_]

Entscheiden soll der Preis. Ich nehme an, die analoge Ansteuerung ist günstiger?

Ja, das ist sie.
Sind insgesamt nur 3 Bauteile:

der einstellbare Spannungsregler, ein Festwiderstand und der Temperatursensor eben.

 

[Doctor Sid]

Und wenn ich die Soll-Temperatur und die Steigung der Drehzahlkurve variieren möchte?

 

[powerhawk]

@doctor sid

Na geh, jetzt mach die PWM. Ich möcht das dann fix fertig nachbauen

OK, zum Analogen:

Die Hysterese solltest du trotzdem einbauen. Sonst kannst du auch beim einfach Umschalten ja leicht ins "Schwingen" kommen.

Ansonsten würd ich einfach das Signal vom Temp-Sensor mit OPV verstärken. Mit diesem Signal steuerst du dann einfach Transistor, der den Lüfter zwischen 5V und 12V schaltet. Da du diesen Schaltpunkt über ein Widerstandsverhältnis regelst, kannst du einen dieser Widerstände als Poti ausführen und hast somit die Möglichkeit, den Schaltzeitpunkt zu verschieben.

EDIT:
Apropos, meine lieben. Nachdem wir offensichtlich alle nicht mitdenken, noch eine kleine Anmerkung...

Den 7805 kannst du die natürlich sparen, da du ja im PC 5V und 12V auf den Steckern hast
Du brauchst also nur noch die automatische Umschaltung aufbauen...


EDIT2:
Schau mal hier vorbei:
http://www.de.tomshardware.com/firstlook/20041207/zalman-cnps7700-03.html

 

[nobody_]

@doctor sid


EDIT:
Apropos, meine lieben. Nachdem wir offensichtlich alle nicht mitdenken, noch eine kleine Anmerkung...

Den 7805 kannst du die natürlich sparen, da du ja im PC 5V und 12V auf den Steckern hast
Du brauchst also nur noch die automatische Umschaltung aufbauen...

[/url]

Da hier entgegen deiner Vermutung doch mitgedacht wird nun hier die Frage, wie du dir eine kontinuierliche stufenlose Regelung vorstellst. Mit dem Umschalten zwischen 2 Spannungen ist es jedenfalls nicht getan.

 

[powerhawk]

@nobody_

Ich hab das so verstanden, daß er von der stufenlosen Regelung schon abgegangen is. Falls nicht, t'schuldigung. Dann war ich wieder mal der Einzige, der net mitgedacht hat