PC-Lüfter über PWM ansteuern führte zu Rauchentwicklung

[oberallgeier]

Die temperaturabhängige Kühlung meines eingangs erwähnten Labornetzteils KORAD KA3006D wurde etwas anders als geplant realisiert und läuft derzeit in einer ersten Betriebsversion im Labornetzteil.

Anregungen dazu kamen durch dieses Video (ab 15min ff) und nem kurzen (sehr angenehmen) Kontakt mit dem Verfasser afug.

Aktuelles Schaltbild , zugehörige Platine sehen so aus, ein kurzes Testergebnis (Auszug aus Ablaufnotizen) ist hier.
Anm.: HB .. mein traditioneller heartbeat mit 0,5 Hz, Temperaturangaben ca. Werte gemäß Bauteil- und Aufbautoleranz.

Programm der Platine: nach Einschalten der Spannungsversorgung für das Labornetzteil steuert der µController den Lüftermotor mal kurz hoch und runter - das dauert etwa zwei Sekunden. Dann ein kurzes Beep als Anzeige, dass die Lüftersteuerung ein ist. Danach läuft das "normale" Temperaturregelprogramm. Temperatursensor ist ein NTC der am Kühlblech/-körper aufliegt.

//.....Temp < 31°........PWM = 0 %
//.....32° C .. 36° C.....PWM = 10 % ( 9,8.)
//.....36° C .. 68° C.....PWM = 20 %........40 %
//.....Temp > 68° C.....PWM = 100 % + Pieps

Beim derzeitigen Ablauf ist mir aufgefallen (könne man nach der Methode des genauen Nachdenkens auch erwarten) dass die Abluft des Netzteil recht warm ist (Lüfter bläst Aussenluft ins Netzteil rein) - geschätzt bei ca. 10 W (9,8V - ca. 1A) durch Hand hinhalten auf 30°..40°. Bei den geringen Strömungsgeschwindigkeiten im unteren Stromentnahmelevel des Netzteils ist das nicht verwunderlich - weniger Luft bei gleicher Verlustleistung !

Ausstehende Tests: Temperatur-Lüfterdrehzahl messen, maximale Temperatur bei maximaler Netzteilleistung, Welligkeit des Netzteilausgangs infolge der PWM-Regelung (mit Vergleich ohne PWM).

Nun stellt sich mir die Frage, ob die realisierte Lüftung lebendsdauerschädigend oder -nützlich ist. Natürlich auch, ob die geplante volle Luftleistung bei Temperaturen (des Kühlkörpers) über 68°C ausreichen werden um nachhaltige Schäden an der Schaltung zu vermeiden. Ist es nicht so, dass (auch) Elektronik oberhalb der Raumtemperatur ihren optimalen Wirkungsgrad hat. Andererseits vermute ich (weil ich keine Ahnung habe) dass die mittlere Lebenserwartung der Bauteile bei höheren Temperaturen - wann? - geringer ist als bei niedrigeren.

Frage: Welcher optimale Temperaturbereich ist für elektronische Bauteile der oben vorgestellten Art anzustreben?

Danke im Voraus für die Antwort.

[Moppi]

Ich werde wenig auf Dein spezielles Problem eingehen, aber ich habe auch schon mehrfach solche Lüfter in Geräte eingebaut, ob PC oder selbstgebautes Netzteil. Dabei habe ich immer dasselbe Vorgehen. Ich schaue, dass die Luftzirkulation gewährleistet ist. Beim Standgerät sollte die Luft nach oben raus können. Zwischen Wärmeerzeuger und Abluftgitter sollte ein möglichst freier Raum sein ("Schornstein") unten sollte Frischluft hinein können. Dabei ist schon mal die Hälfte im Kasten. Dann kann noch ein Lüfter eingebaut werden, der am Boden sitzt oder oben unter dem Dach (Deckel), so dass der den natürlich Luftstrom unterstützt. Dafür reicht es dann auch aus, wenn der Lüfter ungeregelt läuft und einfach etwas vor sich hinpieselt (das geht oft lautlos vonstatten und der Lüfter hält dann praktisch auch ewig). Mit einem NTC oder ähnlich und ner kleinen Schaltung bestimmt man den Einschaltpunkt für den Lüfter, der wird dann über ein Relais zugeschaltet, ich habe auch mal eine elektronische Schaltung dafür verbaut, ohne Relais (hatte ich mal von Conrad). Den Lüfter versehe ich meist mit einem Widerstand in der Zuleitung, der R ist dann so groß, dass der Lüfter sich gut dreht, aber nicht auf volle Pulle läuft. Anlaufen lassen habe ich den letzten Lüfter über eine Zwei-Wege-Schaltung, indem ich den Widerstand mit einem großen Elko überbrücke, der für eine ganz kurze Zeit den Lüfter mit voller Spannung (12V) anschiebt, danach läuft der im Sparmodus - über den Widerstand - weiter, wenn der Elko geladen ist. Eine drehzahlabhängige Regelung habe ich nie benötigt. Die Temperatur im Gehäuse darf schon so ca. 40°C sein. Je nach dem, wie viel Wärme anfällt, muss der Lüfter einen gewissen Luftstrom erzeugen, damit die Wärme abtransportiert wird. 20°C im Gehäuse sind nicht notwendig, das kann die Elektronik schon ab, ich denke jede Elektronik verträgt mindestens 60°C (an den Bauteilen gemessen), solange die Temperatur an den Bauteilen nicht höher steigt, ist es eigentlich auch egal, wie warm es im Gehäuse ist.

Vielleicht ist die ein oder andere Anregung dabei.

MfG

[oberallgeier]

.. Vielleicht ist die ein oder andere Anregung dabei ..

Danke Moppi.

Ich habe halt bei meinen Temperaturgrenzvorgaben auf verschiedene Angaben zu ICs im www geschaut; Beispiel Wikipedia: ".. bis 70 °C Kommerzieller Temperaturbereich .." und ".. bis 85 °C Industrieller Temperaturbereich ..". Deshalb auch die volle Lüfterleistung ab etwa 68 °C - >> erfasste Kühlblechtemperatur! Da bleiben natürlich interne Wärmewiderstände im IC sowie Leitungs- und Übergangswiderstände am Aufbau eher unberücksichtigt. Ich meine aber so, mit meinen aktuellen Grenzen, wirds schon gut gehen. Im Übrigen sind solche Überlegungen sowieso eher ein bisschen viel sophisticated.

[Moppi]

Unglücklich ist, wenn Wärmeabtransport nicht nach oben stattfindet, sondern nach hinten raus. Dann kommt die natürlich Wärmezirkulation nicht in Gang. Um die Wärme dann horizontal abzuführen, bleibt nur das Absaugen mit Lüfter und einer höheren Drehzahl übrig. Die hohen Drehzahlen nerven aber. Ich hab's immer ausprobiert, ob es auch mit niedrigerer Lüfterdrehzahl funktioniert. Kühlblechtemperatur 68°C halte ich schon für etwas hoch. Aber ist eben meine persönliche Meinung. An die Grenztemperaturbereiche der Bauteile würde ich nicht so weit herangehen wollen. Wäre ich zu ängstlich Gut ist, wenn die Kühlkörper im Luftstrom sitzen, dann kann es auch einen Unterschied machen, wenn noch ein Zuluftlüfter verwendet wird (zusätzlich zur Abluft).

Mir fällt gerade ein, ich habe einen Verstärker, der unterversorgt ist mit einem 3cm-Lüfter. Den habe ich mal ausgetauscht und gesehen, dass die Platine schon recht verfärbt war. Ich habe jetzt zusätzlich einen 6cm-Lüfter so aufgestellt, dass der Wärme von außen unter dem Gerät wegbläst. Da sind unten Luftlöcher und oben, aber da sitzt die Platine dazwischen, so dass auch kein vernünftiger Warmluftstrom zustande kommt, abgesaugt werden soll das dann mit so einem Pillelüfter nach hinten raus, reicht aber nicht aus. Zwar geht das Gerät nicht kaputt, aber zu warm wird es allemal da drin, so wie das konzipiert ist, deshalb ja die angekokelte Platine.

MfG

- - - Aktualisiert - - -

Was mich technisch wegen PWM interessiert: hängst Du am Lüfter noch einen Elko parallel dran?

[oberallgeier]

Unglücklich ist, wenn Wärmeabtransport nicht nach oben stattfindet, sondern nach hinten raus ..

Na ja, es kommt halt auf die Situation im zu kühlenden Innenraum an. Bei meinem Labornetzteil sitzt das Kühlblech direkt am Ventilator, daher wird es jetzt mit Frischluft von außen angeblasen. Den Ventilator hatte ich dazu entsprechend "andersrum" eingebaut. Andernfalls hätte man es ja mit vorgewärmter Luft gekühlt - die aus dem Gehäuseinneren angesaugt wird . . . Find ich einfach besser.

.. Was mich technisch wegen PWM interessiert: hängst Du am Lüfter noch einen Elko parallel dran?

Nein! Ähhh - ist das aus dem Schaltplan (as build!) und der Platinenansicht nicht erkennbar? Muss ich da mal nachsehen?

Übrigens läuft die PWM etwas schnell . . .

  TCCR0A    |=  (1<<WGM01)|(1<<WGM00);  // Fast PWM, Mode3 TOP=0xFF=dez255              79
                //  das ergibt aus 9,6 MHz mit Prescaler clk/1  37,5 kHz, siehe u.
  TCCR0B    |=  (1<<CS00);              // clk/1 <=> No prescaling                      74
                                        //   => bei 9,6 MHz mit Prescaler clk/1  37,5 kHz
                                        //   Gemessen mit DISCO2: 35,7 .. 36,1 kHz

[Moppi]

Nein! Ähhh - ist das aus dem Schaltplan (as build!) und der Platinenansicht nicht erkennbar? Muss ich da mal nachsehen?

Ich war zu faul, nochmal nachzuschauen

Das mit PWM und einem Kondensator: diese Frage habe ich mir oft gestellt. Ob das besser wäre. Habe es noch nie gemacht und PWM für Gleichstrommotoren eigentlich nie verwendet.
Ich habe mal einen PC-Lüfter mit PWM angesteuert, der machte damit ziemliche Geräusche, habe dann von PWM auf Vorwiderstand umgestellt, um die Geschwindigkeit zu drosseln, damit lief das Teil ruhiger.


MfG

[oberallgeier]

Ich war zu faul, nochmal nachzuschauen ..

Ja ja, ich weiß, dass vieles das ich dokumentiere eher unnötig ist . . .

.. Ich habe mal einen PC-Lüfter mit PWM angesteuert, der machte damit ziemliche Geräusche ..

Welche PWM-Frequenz hattest Du da? Meine Erfahrung deckt sich (wen wunderts) mit der bekannten Tatsache, dass Lüfter-PWMs so um die 20 kHz bis 30 kHz machen. Daher auch meine Anmerkung oben, dass die PWM "schnell" sei. Wobei man möglichst ein unteres Taktverhältnis von 40% nicht unterschreiten sollte . . . die Lüfter fangen ohne PWM eher so bei 5V an zu drehen. Dass ich mit deutlich weniger fahre merke ich im niedrigen Leistungsbereich des Korad. Das ist nominell für maximal 30V/5A spezifiziert. Bei 7,5V/1A dreht der Lüfter mit 10%..20% dc und die Abluft ist schon gut handwarm (wundert schon wieder nicht).

Moppi, welche PWM-Frequenz hattest Du da bei Deiner "Soundmachine"?

[Moppi]

Welche Frequenz ich hatte, weiß ich nicht mehr. Ist ne Weile her, habe ich mit einem Arduino Uno versucht, über einen Transistor, wegen der 12V. Ich hatte glaub ich auch noch einen andern Lüfter ausprobiert, der fing auch an zu "brummen". Das Geräusch kann ich gar nicht so recht beschreiben, man hörte es aber deutlich. Vielleicht war die PWM zu niedrig, weiß nicht. Gehe mal von ca. 50% des Wertes aus, den man bei analogWrite(), beim Arduino, ansetzen kann. Deswegen die Frage mit dem Elko, das hatte ich damals nicht ausprobiert. Mit PWM mache ich normalerweise nichts, deswegen halten sich da meine Kenntnisse in engen Grenzen.

MfG

[oberallgeier]

Welche Frequenz ich hatte, weiß ich nicht mehr .. Vielleicht war die PWM zu niedrig, weiß nicht ..

Schade, aber da Du ja normalerweise nichts damit machst ist das sowieso nicht wichtig.

.. Vielleicht war die PWM zu niedrig .. Gehe mal von ca. 50% des Wertes aus, den man bei analogWrite() .. ansetzen kann ..

Hmmm. Bei analogWrite() ist mW mit dem Klammerwert der PWM-Puls zu parameterisieren. Mit analogWrite(127) wäre das wohl ein duty cycle von 50 % - glaub ich. Aber das hat nu nix mit der PWM-Frequenz zu tun, nur mit dc. Ich bin ja ein arduino.nobody, nutze nur gern und nicht selten die praktischen Platinchen insbes. nano-Clone. Trotz nobody hab ich irgendwie im Hinterkopf, dass die PWM-Frequenz der arduinospezifische Programmierung pinabhängig sind bei knapp 500 Hz und 1kHz. Damit wäre mir klar, warum Deine Motoren brummten; da dürften manche 2Draht-Lüfter schon mal übern Jordan gehen. Aber - wie geschrieben - arduino-Programmierung ist für mich eher wie Mandarin oder Yue Hai.

[Manf]

Nur zu der speziellen Frage mit PWM und Elko: Die PWM als geschaltete Spannung mit abwechselnd 0V und Ub verträgt sich nicht mit einem Elko der die Spannung glättet.
Einen Motor mit seiner Induktivität kann man damit ganz gut ansteuern. Dabei ändert sich der Strom nur mit der Zeitkonstanten der Induktivität geteilt durch den Widerstand der Wicklung (tau=L/R).
Bei Motoren mit eisenlosem Anker ist L recht klein und man muss die PWM Frequenz im Bereich ab ca. 10kHz wählen. Übliche DC Motoren kommen mit Frequenzen um 1kHz gut zurecht. 50Hz geht bei nicht zu kleinen Motoren die eine entsprechend größere Zeitkonstante haben.
Gerade vor kurzem hatten wir den Fall dass ein Motorpoti mit PWM angesteuert wurde und im Programm das hochsetzen der PWM Frequenz auf 1kHz vergessen wurde, sie stand in der Voreinstellung auf 50Hz und der Motor wurde unangenehm heiß.