Lüfter Drehzahlregelung

Letztes Update 05.09.2004

13. Lüfter Drehzahlregelung


13.1 Drehzahlregelung mit Schaltern

Diese Drehzahlregelung wurde für den CPU-Lüfter eines PC entwickelt, da diese den meisten Lärm entwickelt. Es gibt nun verschiedene Möglichkeiten der Drehzahlregelung:

1. Analoge Regelung.

Es wird ein einstellbarer Spannungregler benutzt, z.B. den bekannten LM317.

Nachteile: Bei einer linearen Regelung entstehen über den Regeltransistor immer Verluste, so das er notfalls mit einem Kühlkörper versehen werden muß. Um die volle Drehzahl zu erreichen ist eine Spannungsversorgung von 12 Volt notwendig. Um die zu erreichen muß die Eingangsspannung also immer um ca. 1,5 bis 2 Volt höher sein. Das PC Netzteil liefert aber nur 12 Volt.

Vorteile: Geringer Bauteileaufwand

2. Digitale Regelung

Eine gängige Ansteuerungsart ist die Pulsbreitenregelung (PWM).

Nachteile: Die CPU Lüfter liefern ein Tachosignal, das vom BIOS und einigen Windows Programmen für Überwachung und Alarmfunktionen benutzt wird. Die Eigenschaft der PWM ist aber, das die Versorgungsspannung des Lüfters einfach für eine definierte Zeit ausgeschaltet wird. Damit wird aber auch das Tachosignal ausgeschaltet. Das Tachosignal liefert eine Rechteckspannung von 2 Impulsen pro Umdrehung. Liegt die PWM Frequenz z.B. bei 25 kHz ergibt das eine Drehzahl von ca. 25000 * 30 = 750000 Umdrehungen Pro Minute. Damit kommt kein BIOS mehr klar. Diese Art der Regelung ist also nur für Lüfter interessant, die über keine Drehzahlüberwachung verfügen. Für den CPU-Lüfter ist sie nicht zu gebrauchen.

Vorteile: Keine Spannungsverluste, also sind auch keine Kühlkörper notwendig. Regelbereich von 0 bis 100% möglich. Digitale Ansteuerung möglich.

3. Schaltregler

Eine weitere Alternative bietet ein Schaltregler, der als Aufwärtsregler beschaltet ist. Es braucht nicht mit der 12 Volt Versorgungsspannungs gearbeitet zu werden. Die 5 Volt werden einfach hochgeregelt. Das wird in der Regel durch einen Spannungsteiler erledigt.

Nachteile: Das Schaltregler IC ist etwas teuer (so 5 bis 8 Euro). Es ist eine Spule notwendig.

Vorteile: Keine Regelungsverluste. Digitale Ansteuerung möglich.

Diese Schaltung wird im Folgenden beschrieben. Das einzige Problem ist dabei die Spule L1. Sie wurde selbst hergestellt. Dazu wird ein kleiner Ringkern benutzt. Diese Dinger sind in jedem Elektronik Laden zu bekommen. Gewählt wurde Eisenpulver Ringkern mit folgenden Eigenschaften:

Materialcode: "-26"
Farbe: gelb/weiß
Frequenzbereich: 50 bis 500 kHz
Al-Wert: 33 nH/N2
Außendurchmesser: 12,7 mm
Innendurchmesser: 7,7 mm

Benötigt wird eine Induktivität von 100 bis 120 µH. Bei dem angegebenen Al-Wert ergibt das

Es sind 60 Windungen notwendig. Der Innendurchmesser liegt bei 7,7 mm. Das ergibt einen Umfang von 24 mm. Der Drahtdurchmesser liegt also so bei 24 / 60 = 0,4 mm. Der Querschnitt liegt dann bei 0,126 mm2.

 Bild 1

Der Schaltregler wird mit dem LT1073 von Linear Technologie aufgebaut. Die Ausgangsspannung berechnet sich zu:

Rx ist die Parallelschaltung der Widerstände R3 bis R7. Die Ausgangsspannung wird über die Eingänge A bis D im Bereich von 6 bis 12 Volt eingestellt. Wird einer der Eingänge durch einen Schalter auf Masse gelegt, schaltet einer der Analogschalter aus IC 2 den entsprechenden Widerstand auf Masse und der Gesamtwiderstand aus R3 bis R7 ändert sich nach folgender Tabelle:
A B C D

Rx

U1berechnet U1gemessen
0 0 0 0 17,96

12,01 V

12,28 V

1 0 0 0 18,56

11,63 V

11,88 V

0 1 0 0 19,24

11,23 V

11,46 V

1 1 0 0 19,93

10,85 V

11,06 V

0 0 1 0 20,85

10,38 V

10,60 V

1 0 1 0 21,65

10,00 V

10,21 V

0 1 1 0 22,59

9,60 V

9,78 V

1 1 1 0 23,54

9,22 V

9,40 V

0 0 0 1 24,41

8,90 V

9,06 V

1 0 0 1 25,53

8,52 V

8,67 V

0 1 0 1 26,84

8,11 V

8,25 V

1 1 0 1 28,19

7,73 V

7,87 V

0 0 1 1 30,06

7,26 V

7,43 V

1 0 1 1 31,76

6,89 V

7,05 V

0 1 1 1 33,83

6,48 V

6,64 V

1 1 1 1 36,00

6,10 V

6,24 V

Bild 2 zeigt die Tabelle als Grafik. Die Unterschiede zwischen den berechneten und gemessenen Werten liegen in den Bauteiltoleranzen der Widerstände und dem Einschaltwiderstand des Analogschalters.

 Bild 2

Für die Steuerung der Ausgangsspannung und damit auch die Steuerung der Drehzahl des Lüfters wurden bei dieser Schaltung digitale Eingänge gewählt. Dieser Schaltungsteil ist im Prinzip das Stellglied einer Temperaturregelung die mit einem kleinen Atmel Prozessor aufgebaut wird. Der Atmel misst die verschiedenen Temperaturen im PC (CPU-Kühlkörper, Umgebung, Festplatten) und berechnet dann daraus die erforderliche Drehzahl. Da der Prozessor gleichzeitig noch über eine serielle Schnittstelle verfügt, können diese Daten auch noch vom Rechner aufgezeichnet werden.

Bild 3 zeigt noch den Zusammenhang zwischen den Schalterstellungen und Drehzahl des Lüfters.

 Bild 3

Parallel dazu wurde die Drehzahl aus dem BIOS ausgelesen. Es zeigte sich eine sehr gute Übereinstimmung zu den Werten, die mit einem Frequenzzähler aufgenommen wurden.

13.2 Analoge Drehzahlregelung

 Bild 4

Wenn keine digitale Einstellung der Drehzahl gewünscht ist, kann IC2 und die Widerstände R3 bis R11 auch weggelassen werden. Sie sind dann durch einen Widerstand und ein Poti zu ersetzen. Das Poti kann dann z.B. in die Frontplatte des PCs eingebaut werden.