DIY Lüftersteuerung Begutachtung

[Martin D. (busychem)]

Hallo Leute,

ich bin neu hier und möchte gern wissen, was Ihr von meiner Schaltung 
haltet. Ich würde von mir behaupten ein belesener Noob zu sein aber mal 
schauen, was Ihr dazu sagt ^^.

Weil mir rel. Langweilig ist und ich nichts von der Stange haben wollte, 
mich Elektronik interessiert und was zu lernen immer gut kommt dachte 
ich mir, ich baue mir eine "quasi Lüftersteuerung".

Der Sinn der Schaltung ist, aus den 12V und dem PWM-Signal eine 
veränderbare Spannungsquelle zu schaffen, die dann gewöhnliche non-PWM 
Lüfter antreiben soll

Das PWM-Signal wird zunächst über einen Schmitt-Trigger aufbereitet. Das 
aufbereitete Signal wird dann über einen Tiefpass geglättet so, dass 
eine Spannung erzeugt wird, die dann als Referenz dient. Die 
Referenzspannung wird dann über einen Komparator mit der 
Ausgangsspannung verglichen und geregelt. Der dritte Komparator dient 
als Strombegrenzung; ob das so, wie ich es verschaltet habe trivial ist, 
weiß ich nicht ganz. Die Strombegrenzung greift bei ca. 1,2A.

Die Schaltung habe ich auch über LTSpice mit den entsprechenden Model 
Files erfolgreich simuliert.

Nun bin ich mal gespannt, ob das nun für den Anfang nicht schlecht oder 
doch nur Murks ist :). Ich freue mich schon auf euer Feedback.

MFG Martin

[hinz (Gast)]

Martin D. schrieb:
> Der Sinn der Schaltung ist, aus den 12V und dem PWM-Signal eine
> veränderbare Spannungsquelle zu schaffen, die dann gewöhnliche non-PWM
> Lüfter antreiben soll

Dann ist es wohl keine Absicht, dass U1C nicht im Linearbetrieb 
arbeitet, und damit der Rest auch nicht...

[busychem (Gast)]

Sarkasmus?!
Also eigentlich schon. Die Spannung wird durch das Tastverhältnis 
bestimmt. 0% sind 0V und 100% gehen gegen 12V.

[busychem (Gast)]

Der Apparat soll im Schaltbetrieb arbeiten.

[Michael B. (laberkopp)]

Grober Unsinn.

U1C vergleicht die Ausgangsspannung mit der Sollspannung.

Aber es gibt keine Zeitverzögerung.

U1C wird also in einem Analogverstärker halbleitenden Zustand hängen 
bleiben und den MOSFET im Linearbetrieb gerade so weit aufsteuern daß 
der Ausgang der Sollspannung entspricht.

Du brauchst eine Hysterese.

Zudem: Würde es funktionieren (PWM ein- ausschalten), dann verbindet 
dein MOSFET hundertausend mal pro Sekunde einen halbvollen Elko mit den 
+12V über 60 Milliohm also im Kurzschluss.

Es müsste zumindest eine Drosselspule vor den Elko damit er mit langsam 
steigendem und fallenden Strom geladen wird, und eine Freilaufdiode vom 
MOSFET nach Masse damit der Strom bei ausgeschaltetem MOSFET einen Weg 
hat.

Bleibt die Überstromerkennung mit U1B: Wie wir festgestellt haben, würde 
der eingeschaltete MOSFET den Elko fast mit Kurzschlusstrom aufladen, 
also weit mehr als deinem Strombegrenzungwert, BEI JEDEM IMPULS würde 
U1B also wieder U1C abschalten wollen.

Q1 und Q2 sind EMitterfolger, die brauchen kenie Baiswiderstände, die 
ziehen nur so viel Strom wie sie brauchen. Man muss bei 10k Last aber 
keinen 800mA Treiber bauen, der LM339 Ausgang täte es.

Q4 und Q3 sind zudem vertauscht, liegt die Ansteuerspannung bei VCC/2 
leiten beide und es fliesst Kurzschlusstrom durch beide hindurch.

Auch ist unklar, warum die Schaltung die Spannung regelt. Willst du 
nicht eigentlich die Temperatur oder zumindest (Siehe Tachoausgang) die 
Drehzahl regeln ? Man muss dioe Spannung nicht erfassne, wenn man 
sowieso den Stellwert nach einem abgeleiteten Wert hoch und 
runterstellt.

Da du die PWM Erzeugung nicht hingezeichnet hast (Arduino?) reduziert 
sich die Schaltung auf

+12V --+---+-------+-----+---+-------+
       |   |       |     |   |       |
      10k  |      4k7    |   |       |
       |   |       |BC338|   |       |
       |   |       +----|<   |       |
       |   |       |     |   |       |
       +--|+\      |     |E  |       |
       |  |  >-----+-|<|-+---(------|I IRF5305
PWM ---(--|-/     1N4148     |       | Diode  
       |   |    +--100k--+  22k      +--|<|-- GND
      1k   |    |        |   |       |  S1A
       |   |    |   /+|--+---+       +-Spule-+
       +---(----+--<  |      |               |
           |  LM393 \-|------(-------+       +----+
           |                 |       |       |    |
           |                220R     |     Elko Lüfter--tacho
           |                 |       |       |    |
GND -------+-----------------+--0R1--+-------+----+

Hoffentlich ist alles richtig rum. Der Komparator für Überstrom hat nun 
eine Hysterese von 200mV, der Elko wird nicht mehr im Kurzschluss 
geladen und die PWM wird direkt verwendet, ohne den überflüssigen 
Schritt über die analoge Steuerspannung.

[Fred R. (Firma: www.ramser-elektro.at/shop) (fred_ram)]

Warum nimmst du keinen kleinen Mikrocontroller dafür?
Habe ich vor kurzen einen Beitrag darüber geschrieben.

Findest auf meinem Homepage Blog.

[Ach Du grüne Neune (Gast)]

Martin D. schrieb:
> Die Schaltung habe ich auch über LTSpice mit den entsprechenden Model
> Files erfolgreich simuliert.

Ist es nicht besser die Transistoren Q3 und Q4 zu vertauschen (wie bei 
Q1 und Q2)? Denn wenn die Ausgangsflanke an Pin 13 vom LM339 nicht steil 
genug ist, können Q3 und Q4 für einen kurzen Moment gleichzeitig 
durchschalten und einen Kurzschluss erzeugen!

[Uwe F. (ufe)]

Frage1: Q1,Q2,R6 und R7 sind eine ruhestromlose Gegentaktendstufe im 
Schalterbetrieb, warum sind R6 und R7 verschieden groß?
nun gut. sollte Trotzdem gehen.

Frage2: Am R10 steht eine analoge Spannung 0..12V je nach PWM an. Damit 
sollte U1C im Analogbetrieb sein. Ich hätte erwartet das es eine 
Verstärungsbegrenzung am U1C in Form eines R vom Ausgang auf den pos. 
Eingang gibt.

Frage3: Die Schaltung mit Q3,Q4 und Q5 habe ich so noch nie gesehen.
Q3 steuert bei UB (12V) -0,7V voll durch, der Q4 steuert bei mehr als 
0,7V voll durch. Also beo 0V und 12V bleibt die Schaltung am leben. Bei 
0,7V...11,3V raucht es richtig...

Auch hier die Frage: warum sind die Basisvorwiderstände verschieden 
groß?

Ist die Schaltung per Drag&Drop entstanden?

[busychem (Gast)]

Ja, der Treiber für die 10k Last ist viel zu viel des Guten. Meine 
Intention war eher die Halbbrücke, ansonsten hätte ich einen eher 
niederohmigen pull-Up nehmen müssen; laut Datenblatt kann der Ausgang 
des lm339 nur 16mA leisten, auch wollte ich es effizienter gestalten; 
eine Milchmädchenrechnung aber ich will es so machen.

Die eigentliche Regelung der Lüfter übernimmt das PC Mainboard, die 
Schaltung soll quasi als DAC arbeiten aber im Schaltbetrieb.

Die wichtigsten Änderungen sind demnach die Hysterese am U1C und die 
Drosselspule + Freilaufdiode. Die Schaltung hat jetzt keine festgelegte 
Schaltfrequenz. Ist es okay, wenn sie dann so mit der Hysterese 
arbeitet?

Gruß busychem

[Michael B. (laberkopp)]

busychem schrieb:
> Die wichtigsten Änderungen sind demnach die Hysterese am U1C und die
> Drosselspule + Freilaufdiode. Die Schaltung hat jetzt keine festgelegte
> Schaltfrequenz. Ist es okay, wenn sie dann so mit der Hysterese
> arbeitet?

Es ergibt sich durch Hysterese und LC-Kreis eine Schwingfrequenz.

busychem schrieb:
> laut Datenblatt kann der Ausgang des lm339 nur 16mA leisten,

Wie viel fliessen bei 10k an 12V ?

> auch wollte ich es effizienter gestalten;

Wie viel effizienter wird es wenn 0.7V Verlust dazu kommen ?

[Martin D. (busychem)]

So, wieder am PC.

Fred R. schrieb:
> Warum nimmst du keinen kleinen Mikrocontroller dafür?
> Habe ich vor kurzen einen Beitrag darüber geschrieben.
>
> Findest auf meinem Homepage Blog.

Ich wollte es Analog machen. Im Grunde habe ich alles da, für einen 
Mikrocontroller aber ich wollte mehr über analoge Schaltungen lernen.

Michael B. schrieb:
> Q1 und Q2 sind EMitterfolger, die brauchen kenie Baiswiderstände, die
> ziehen nur so viel Strom wie sie brauchen.

Ja stimmt, dumm von mir.

Michael B. schrieb:
> Q4 und Q3 sind zudem vertauscht, liegt die Ansteuerspannung bei VCC/2
> leiten beide und es fliesst Kurzschlusstrom durch beide hindurch.

Hm, dass wäre natürlich schlecht.

Uwe F. schrieb:
> Frage3: Die Schaltung mit Q3,Q4 und Q5 habe ich so noch nie gesehen.
> Q3 steuert bei UB (12V) -0,7V voll durch, der Q4 steuert bei mehr als
> 0,7V voll durch. Also beo 0V und 12V bleibt die Schaltung am leben. Bei
> 0,7V...11,3V raucht es richtig...

He, ist eben alles Marke Eigenbau^^. Q3 & Q4 sollen das Signal 
invertieren, weil der PMOS bei Low GND Leitet. Aber wie du schon mit dem 
Kurzschluss sagtest, ist es wohl besser Q3 & 4 zu vertauschen und am U1C 
den inv und den non-inv Eingang zu vertauschen.

Uwe F. schrieb:
> Auch hier die Frage: warum sind die Basisvorwiderstände verschieden
> groß?

Die habe ich so gewählt, da ich so möglichst gleiche Vorwiderstände 
habe. Wenn bspw. U1A auf HIGH ist, hat Q1 4k7 + 470 und wenn U1A LOW ist 
hat Q2 4k7 Ohm an Vorwiderstand. So dachte ich es mir auch bei Q3 und 
Q4, wobei Michael schon sagte, dass die Vorwiderstände bei Q1 und Q2 
überflüssig sind.

Michael B. schrieb:
>> laut Datenblatt kann der Ausgang des lm339 nur 16mA leisten,
>
> Wie viel fliessen bei 10k an 12V ?

Der LM339 ist ja ein OpenCollector. Wenn ich einen PullUp von sagen wir 
mal 220 Ohm nehme, habe ich schon über 50mA und bei 1k und größer, 
müsste ich auch R8, R9 und R10 größer machen, sonst wird mir der 
Spannungsabfall zu groß; ich wollte eben eine R2R Charakteristik 
erzielen und die verwendeten BJTs sind ja nicht kostspielig.

Michael B. schrieb:
> Es ergibt sich durch Hysterese und LC-Kreis eine Schwingfrequenz.

Ach stimmt. Das macht es ja einfacher.

@Michael
Der FET Treiber aus dem BC337, der Diode, im Zusammenspiel mit dem LM339 
Ausgang ist auch eine clevere Methode; sicher eine Standardbeschaltung 
;).

Noch eine Frage zu der Spule. Auf welche Eckdaten kommt es besonders 
drauf an?

Und vielen, vielen Dank für eure Hilfe.

Gruß Martin

[Test (Gast)]

Fred R. schrieb:
> Warum nimmst du keinen kleinen Mikrocontroller dafür?

Weil man dann keine Software braucht. Deswegen einen Controller 
rauszuziehen ist einigermaßen übertrieben.

> Habe ich vor kurzen einen Beitrag darüber geschrieben.
>
> Findest auf meinem Homepage Blog.

Dieser "Bausatz" den du hier bewerben willst ist doch nicht dein Ernst 
oder?

Mehr falsch machen kann man ja für eine Ansteuerung eines PC-Lüfters 
nicht. Lowside geschalten und keine Glättung, nichtmal ein 
Ausgangskondensator.

Selbst wenn der Lüfte ein Tachosignal hätte wäre es wertlos weil du 
Masse weg schaltest. Die völlig fehlende Glättung führt dazu, dass du 
Lüfter mit interner Elektronik (z.B. PC-Lüfter) nur in einem minimalen 
Geschwindigkeitsbereich variieren kannst. Würdest du glätten hättest du 
einen deutlich größeren Bereich in dem der Lüfter auch läuft und nicht 
nur zuckt.

EMV erwähnst du zwar und ja das ist eine riesen Drecksschleuder. 
Schirmung bringt nichts gegen Gleichtaktstörungen und die sind hier dein 
größtes Problem. Wenn ich sowas in einem Shop sehe, dann muss ich sagen 
bin ich dafür, dass CE und damit EMV-Prüfungen auch für unbestückte 
Leiterplatten verpflichtend sein sollen. Du gibts dir ja nicht mal Mühe. 
Kein Kondensator am Ausgang. Nicht mal ein RC-Glied in der 
Gateansteuerung. Und das verkaufst du dann. Na prost.

[Martin D. (busychem)]

Also so eine Induktivität macht einen riesen Unterschied bei den 
Stromspitzen, das hätte ich nicht gedacht.
Ich vermute, die hier eingesetzte Hysterese aus R6 und R7 ist zu klein, 
die sollte so ca 4mV ergeben. Was meint Ihr? Laut der Simulation ist 
dann die Ausgangsspannung aber schön glatt (40mVpp).

Was haltet Ihr nun davon? Die Diode ist erstmal nur ein Platzhalter. Ich 
müsste nochmal nachschauen, welche ich hier noch rum liegen habe aber 
das ist wohl kein so kritisches Bauteil, denke ich.

Gruß Martin

Nachtrag:
Sagt mal. Muss die Frailaufdiode nicht parallel zur Induktivität, 
entgegen der Stromrichtung verschaltet werden?

     ---|<|---
    |         |
->--+-|Spule|-+-->-

[Michael B. (laberkopp)]

Martin D. schrieb:
> das ist wohl kein so kritisches Bauteil

Nun, die sollte die Schaltfrequenz des MOSFET mitmachen,
und die 50Hz Diode 1N5404 macht das sicher nicht.
Fast recovery oder Schottky.

Martin D. schrieb:
> Muss die Frailaufdiode nicht parallel zur Induktivität

Nein, du würdest die Spulenenergie vernichten statt in den Ausgangselko 
zu transportieren.

[Martin D. (busychem)]

Michael B. schrieb:
> Nun, die sollte die Schaltfrequenz des MOSFET mitmachen,
> und die 50Hz Diode 1N5404 macht das sicher nicht.
> Fast recovery oder Schottky.

Natürlich. Ich habe gerade noch nachgesehen und ein paar SB340 Schottky 
Dioden auf Lager; die sollten ausreichen.

Ansonsten sollte die Schaltung i.O. sein, nehme ich an.

Dann bleibt mir nichts mehr anderes übrig als mich herzlich bei euch zu 
bedanken. Ich danke euch, besonders dir Michael :)

Als nächstes kommt das Platinenlayout, das Belichten, Entwickeln und 
Ätzen.
Ich hatte schon Erfahrungen mit der Toner-Transfer-Methode; es war ein 
Desaster xD.

Dann wünsch ich euch noch einen schönen Abend.

[bernte (Gast)]

Hallo Martin,

wäre schön wenn du das Platinenlayout und den aktualisierten Schaltplan 
dann mal hochladen kannst,
würde mir gern noch einen Lötdampf-Wegpuster bauen.

Danke

[Martin D. (busychem)]

Als Laie ist so ne Erstellung einer Platine echt nervtötend ;)

Ich habe noch kleine Änderungen am Schaltplan gemacht
- Strombegrenzung bei ca. 2,3A
- Q2 (aus Schaltplan2) wurde durch eine Diode ersetzt
- mehr Lüfteranschlüsse

Die Platine hat die Maße 10x4cm und ist einseitig. Die breiten 
Leiterbahnen sind 1mm breit, die schmalen 0,5mm. Die Dukos und roten 
Leiterbahnen sollen Drahtbrücken darstellen.
Die Verbindung des Tachosignal an J2 verläuft direkt über eine 
Leistungsleitung, ich weiß nicht genau, ob das gut ist.

Ich will eigentlich noch die kupferfreien Flächen noch als NC Schicht 
drauf lassen aber ich wollte erst noch eure Meinung dazu hören.

Gruß Martin

[Martin D. (busychem)]

Sorry, ich habe vergessen die max. Verlustleistung von R14 zu beachten.
Jetzt sollte es passen. Die Begrenzung ist jetzt bei ca. 1,5A. Die 
Verlustleistung beträgt 225mW und der Widerstand ist ein 1/4W.
Außerdem greift der Komp die Spannung nun direkt am R14 ab.

[MaWin (Gast)]

R5 und R12 können eigentlich ohne Drahtbrücken angeschlissen werden, 
denn sie selbst sind Brücken um über die Leiterbahnen von R7, Pin2 (und 
Pin3) hinwegzukommen.

[Martin D. (busychem)]

Ach ja, natürlich. :-|
Danke dir, ich werde es nachbessern. So wird die Platine auch insgesamt 
kleiner, netter Nebeneffekt.

Gruß
Martin

[Egon N. (egon2321)]

Wieso so kompliziert?

Heutige Lüfter bieten alle die Steuermöglichkeit mittels PWM. Sprich für 
das Geld dieser Steuerung kannst du dir einfach 1-2 neue Lüfter kaufen, 
fertig aus, zudem sind die Lager dann auch neu.

[Martin D. (busychem)]

Das es sich finanziell nicht lohnt ist klar. Es geht mir mehr ums lernen 
und als Hobby.

[bernte (Gast)]

statt mit leiterbahnen würde ich eher mit einem masse layer arbeiten

das spart auch einige leiterbahnen, mit den du nur unnötig strecken 
überwinden musst

[Stefan F. (Gast)]

Ich würde sicherheitshalber einen kleinen 100nF parallel zu dem Elko 
schalten, der die Stromversorgung stabilisiert.

Kleiner Schönheitsfehler: An den Ein- und Ausgängen der OP-Amps fehlen 
ein paar grüne Punkte.

[Martin D. (busychem)]

Ja, mit Masseflächen wäre es einfacher gewesen. Ich hab Mal gelesen, 
dass man die Masse möglichst Sternförmig auslegen sollte. Das habe ich 
zwar nicht gemacht aber ich habe zumindest versucht die Steuer- und 
Leistungselektronik am C1 zu trennen.

Der 100n kann nicht schaden.
Aber was meinst du mit grünen Punkten?

[Stefan F. (Gast)]

> Aber was meinst du mit grünen Punkten?

An den Ein- und Ausgängen treffen sich teilweise drei Linien-Enden ohne 
dass sie mit einem Punkt verbunden sind. Wie gesagt ist das nur ein 
kleiner Schönheitsfehler. Der Plan ist trotzdem eindeutig.

[Äxl (Gast)]

https://www.mikrocontroller.net/attachment/359648/schaltplan4.png
R6 ist mit 10k doppelt so groß, 'als wie als' R4.
Lass also die kleine Diode D1, den Transistor Q1 einfach weg und löte 
R6(10K) statt R4(4.7K) ein. R6 bekommt 'ne Drahtbrücke.

[Martin D. (busychem)]

So, hier noch mal ein Update.

Ich hätte da noch eine Frage. Aktuell ist die Strombegrenzung auf der 
LowSide. So kann ich die Spannungsdifferenz zwischen V- und GND 
ermitteln. Wie kann ich aber eine HighSide Strombegrenzung mit 
Komparatoren bewerkstelligen?

Gruß busychem

[Matthias S. (Firma: matzetronics) (mschoeldgen)]

Du hast da einen schweren Routingfehler am IRF5305. Die Belegung des 
MOSFet ist von links nach rechts:
Gate - 1
Drain - 2
Source - 3
Im Datenblatt von IR auf Seite 8.

[Mampf F. (mampf)]

Beim Überfliegen des Threads ist mir nicht aufgefallen, dass sich jemand 
über den Komparator rechts unten (an dem der Shunt hängt) geäußert 
hätte.

IMHO liegen an Pin11 des Komparators ca 0,145V, die dann auch am Shunt 
anliegen müssen. Das ergäbe einen Strom von I=0,145/0,1Ohm = 1,45A

Ist das beabsichtigt? (Evtl ein Kurzschluss-Schutz?)

Hast du deine Schaltung in LTSpice simuliert?

Der PWM-Teil erscheint mir auch übermäßig kompliziert zu sein, nur um 
die PWM auf 12V zu bekommen - aber wenn man schon 4 Komparatoren hat, 
was solls.

[Martin D. (busychem)]

Matthias S. schrieb:
> Du hast da einen schweren Routingfehler am IRF5305. Die Belegung des
> MOSFet ist von links nach rechts:
> Gate - 1
> Drain - 2
> Source - 3
> Im Datenblatt von IR auf Seite 8.

Oh, danke. Da hast du vollkommen Recht. Wird behoben.

Mampf F. schrieb:
> Ist das beabsichtigt? (Evtl ein Kurzschluss-Schutz?)

Ja genau. Bzw auch als Überstromschutz, falls zu viele zu starke Lüfter 
angeschlossen sind.

Mampf F. schrieb:
> Hast du deine Schaltung in LTSpice simuliert?

Ja.

Den PWM Teil habe ich deshalb so konstruiert, weil nach den 
Spezifikationen das PWM Signal unterhalb von 0,8V als LOW gilt und 
oberhalb als HIGH. Es ist kein Spannungsbereich definiert, nur eine max 
Spannung von 5,5V. Ich habe an mehreren Mainboards das PWM Signal mit 
dem Oszi überprüft und immer verschiedene Umax bekommen.
Der erste Komp dient dazu, Umax und Umin festzulegen um nach dem 
Tiefpass eine definierte Spannung zu erhalten, die dann auch mit dem 
Tastverhältnis korreliert.

[Mampf F. (mampf)]

Martin D. schrieb:
> Den PWM Teil habe ich deshalb so konstruiert, weil nach den
> Spezifikationen das PWM Signal unterhalb von 0,8V als LOW gilt und
> oberhalb als HIGH.

Welche Spezifikation?

Mit ziemlicher Sicherheit würde TTL da passen ... Lo <= 0,8V und High >= 
2V.

Hast du irgendwo weniger als 2V für High gemessen?

*edit*: Ach im Prinzip ist es egal ... Der Komparator ist ja vorhanden, 
dann kann man ihn auch verwenden.

[batman (Gast)]

Martin D. schrieb:
> Der Sinn der Schaltung ist, aus den 12V und dem PWM-Signal eine
> veränderbare Spannungsquelle zu schaffen, die dann gewöhnliche non-PWM
> Lüfter antreiben soll

Sind "non-PWM Lüfter" gewöhnlich? Ich wüßte nicht, daß sich bei mir je 
einer mal gegen PWM gesträubt hätte.

[Martin D. (busychem)]

Update: Die Beschaltung des PMOS ist nun korrekt.