Verwendung von 12-V-Lüftern mit einem 24-V-Netzteil

Ich habe kürzlich einen 3D-Drucker erworben und hatte alle möglichen Probleme mit den Lüftern, mit denen der Druckkopf, die Teile und die Steuerplatine gekühlt werden.

Der Controller ist ein Smoothie-kompatibles Custom Board mit 24V Netzteil.

Einige Lüfter drehen sich einfach nicht, andere drehen sich nur widerwillig ("wobbeln" zwischen zwei Geschwindigkeiten für bestimmte Befehlswerte, drehen sich nur, wenn sie mit 75 % oder mehr befohlen werden), und alle sind weitaus lauter, wenn sie im Drucker verwendet werden als wenn sie angeschlossen sind ein 12V Netzteil.

All dies führt mich zu der Annahme, dass diese Lüfter für 12 V ausgelegt sind und mit einer gepulsten 24-V-Stromversorgung verwendet werden.

Ich konnte den Kundendienst nicht dazu bringen, mir die Spannung mitzuteilen, für die diese Lüfter ausgelegt sein sollen. Die Ventilatoren haben kein Etikett oder eine sichtbare Kennzeichnung. Ich habe schließlich den geopfert, der sowieso nicht drehen würde, um zu versuchen, einen Hinweis auf seine Nennspannung zu bekommen, aber selbst der Hallsensor-Chip hat keine Markierung:

Lüfterplatine

Meine Elektronikkenntnisse sind bestenfalls lückenhaft, ich habe nichts als ein einfaches Multimeter zur Hand und habe nicht die Absicht, ein Oszilloskop zu kaufen, nur um dieses lästige Lüfterproblem zu beheben, aber ich würde trotzdem gerne verstehen, was dort passiert.

Soweit ich es verstehe, verwendet die Steuerplatine ein PWM-Signal, um eine variable Geschwindigkeit für die Lüfter zu erreichen. Die PWMs werden unter Verwendung eines Sigma-Delta-Algorithmus mit einer Basisperiode von 1 ms erzeugt. Dies bedeutet, dass die Stromversorgung des Lüfters ein 24-V-Signal ist, das aus 1-ms-Stromimpulsen besteht, gefolgt von der erforderlichen Anzahl von 1-ms-Zyklen ohne Stromversorgung, um eine durchschnittliche Einschaltzeit zu erreichen, die dem eingestellten Wert entspricht.

Aus irgendeinem Grund haben sie einen 22-µF-Kondensator zwischen Masse und dem Lüftersteuersignal (in den Lüfteranschlüssen am Druckkopf) hinzugefügt, daher muss die PWM vermutlich etwas geglättet werden.

Je nach Controller-Konfiguration ist die PWM auf den Bereich von 0-50 % begrenzt, was bedeutet, dass die "durchschnittliche" Spannung, die einem bestimmten Lüfter zugeführt wird, niemals 12 V überschreitet (in Wirklichkeit 1 ms 24-V-Impulse, gefolgt von 1 ms Abschaltung, möglicherweise geglättet durch den Kondensator). ).

Anscheinend warnen die Smoothie-Designer ausdrücklich davor, 12-V-Lüfter an einem 24-V-Netzteil zu verwenden, selbst wenn sie den PWM-Begrenzungstrick verwenden, um die "durchschnittliche" Spannung auf 12 V oder weniger zu reduzieren.

Ich habe das Internet durchforstet, um zu versuchen zu verstehen, welche Folgen eine Überspannung dieser Lüfter haben könnte (auf die Lüfter selbst und möglicherweise auf das Netzteil), aber meine Elektronikkenntnisse reichen nicht aus, um das selbst herauszufinden.

Also meine Fragen sind:

  • Stimmen diese Symptome mit der Verwendung von 12-V-Lüftern an einem 24-V-Netzteil überein?
  • Was sind die Folgen für die Fans und das Netzteil?
  • Welche Rolle spielen diese mysteriösen Kondensatoren? (Der Hersteller behauptet, dass sie nur dazu da sind, etwas Rauschen zu filtern, aber ich sehe nicht, was in einem Druckkopf, der nur aus 3 Lüftern und einem Heizwiderstand besteht, einen Lärmschutz benötigen könnte.)
  • Gibt es eine Möglichkeit, diese Lüfter zum Laufen zu bringen (z. B. durch Erhöhen des PWM-Signals auf über 50 %), ohne die Lüfter und/oder das Netzteil zu beschädigen, oder soll ich sie durch geeignete 24-V-Komponenten ersetzen?
  • Falls ich 24-V-Lüfter in meinen Drucker einbaue, soll ich die Kondensatoren an Ort und Stelle lassen oder sie auslöten (dh behindern diese Kondensatoren wahrscheinlich die Lüfter, erschweren beispielsweise das Abdrehen)?
Ich hasse es, es Ihnen zu sagen, aber es hört sich so an, als hätten Sie ein 3D-Drucker-Kit gekauft, das von einigen Leuten entworfen wurde, die keine Ahnung haben, wie man ein System richtig entwirft. Die bloße Idee, zu versuchen, Fans auf die von Ihnen beschriebene Weise anzutreiben, ist totaler Blödsinn. Die Basis-PWM für einen Lüfter sollte im Frequenzbereich von 24 kHz liegen.
Ich denke, wir sprechen hier nicht von der gleichen PWM. Die Idee der PWM mit niedriger Frequenz besteht darin, den Lüfter für einen kurzen Moment mit voller Geschwindigkeit drehen zu lassen und sich zu verlangsamen, wenn die Spannung abfällt, wodurch eine Durchschnittsgeschwindigkeit zwischen 0 und der 24-V-Dauergeschwindigkeit erreicht wird. So funktionieren im Grunde alle Smoothie-Board-gesteuerten 3D-Druckerlüfter, also nehme ich an, dass die Methode solide ist, vorausgesetzt, Sie verwenden 24-V-Komponenten. Dies ist nicht wie die ESCs, die in 3-Phasen-Motoren verwendet werden, sondern nur eine billige Möglichkeit, die Drehzahl eines Einphasenmotors zu modulieren. Oder habe ich etwas übersehen?
Wie wäre es mit einer 12-V-Zenerdiode in Reihe?
Nun ja, oder sogar ein 12-V-Regler, aber dann wäre der Austausch der Lüfter meiner Meinung nach eine noch einfachere Option (ich hätte lieber keine gelöteten Komponenten, die im ohnehin beengten Druckkopf herumbaumeln). 24-V-Lüfter sind sowieso spottbillig (etwa 2 US-Dollar pro Stück bei eBay)
Wo ist der Hallsensor angeschlossen? Klingt so, als würden sie versuchen, es mit einem einfachen Gleichstrommotor mit Bürsten anzutreiben, was es offensichtlich nicht ist.
Das ist nur die Platine eines der Lüfter, die ich mit dem Kit bekommen habe, ein Hall-Sensor, der die Phase umschaltet, wie in jedem BLDC-Lüftermotor. Was dieses Niederfrequenzmodulationsschema betrifft, soll es eine variable Drehzahl erreichen, indem bei diesen BLDC-Lüftermotoren abwechselnd Volldrehzahl und Leerlauf verwendet werden. Hat nichts mit den Hochfrequenz-PWMs zu tun, die zur Steuerung eines 3-Phasen-Motors verwendet werden.

Antworten (4)

Um Ihre Fragen zu beantworten, sind dies meine Vermutungen basierend auf Ihren Beobachtungen: Die von Ihnen beobachteten Symptome sind sehr wahrscheinlich ein Versuch, 12-V-Lüfter aus einer 24-V-Versorgung mit "12 V" zu versorgen. Ein solcher theoretischer Versuch, 12 V mit hoher Effizienz aus einer 24-V-Versorgung bereitzustellen, verdient wahrscheinlich die volle Punktzahl für den Versuch, aber der Designer hat sich meiner Meinung nach vielleicht nicht durch alle Konnotationen der Verwendung von massenproduzierten 12-V-Lüftern durchgedacht. Der einzige Zweck, den ich mir für den 22-uF-Kondensator vorstellen kann, besteht darin, dass er von den 24-V-Impulsen "gepumpt" werden sollte, sodass er um einen Durchschnitt von 12 V schwebt, während er ständig durch eine theoretische, perfekte, konstante Stromaufnahme entlüftet wird, die für identisch wäre all die Millionen von 12-V-Lüftern, die von den Fließbändern der Lüfterhersteller strömen (reale Hersteller werden das Problem bereits erkennen).

Wo die "12V"-PWM-Schaltung in der Praxis versagt, ist es (das sind immer noch meine Vermutungen) davon ausgegangen, absoluten Glauben an die gelieferten Spezifikationen des idealen 12V-Lüfters von den Lüfterherstellern anzunehmen und die effiziente PWM-Versorgung entsprechend zu gestalten, der Glaube in den Spezifikationen, was anscheinend zu einem Prototypen eines "12V"-Netzteils führt, das (und hier können wir uns alle sicher sein) aufgrund des vereinfachten PWM-Designs versagt.

Nur EIN idealer Lüfter mit seinem konstanten Dauerstrom entlädt den 22uF-Kondensator gerade genug, um ihn auf einem "welligen" Ladezustand von ca. 12V zu halten

Praktische Lüfter, die von einer Massenproduktionslinie fließen, werden meines Erachtens nicht eine Minute lang auf extrem strenge Spezifikationen für die Konstanz der Stromaufnahme getestet. Das würde niemals als ihre Hauptvoraussetzung für ihre Verwendung angesehen werden (ich entschuldige mich, ich bin im Nachhinein weise).

Daher meine Hypothese für die Art der beobachteten Fehler in diesem Fall.

Nun drei vorgeschlagene Antworten auf die Frage: 1- Wenn die Lüfter im ausgebauten Zustand so modifiziert werden können, dass sie mit ihren ursprünglich 12 V betrieben werden, dann tun Sie dies und stecken Sie einen 12-V-Regler in die 24-V-Zuleitung zu ihnen. Verwenden Sie bei Bedarf einen Vorwiderstand mit dem Regler, um den Regler innerhalb der thermischen Spezifikationen zu halten. 2- Sie haben einen 3D-Drucker gekauft. Nur ein winziger Bruchteil eines Prozents mehr kostet im örtlichen Elektronikgeschäft eine 12-VDC-Versorgung, um alle drei Lüfter zu betreiben. Die Verkabelung wird ein Kinderspiel im Vergleich zu dem, was Sie bereits getan haben. 3- Kaufen Sie 24-V-Lüfter, wie Sie vorschlagen. Schnell, einfach, elegant. Ich würde das tun.

Ich sollte hinzufügen, dass, obwohl ich jetzt im Ruhestand bin, bedeutende Teile meiner Karriere mit dem praktischen Design von Elektronik für den kommerziellen/industriellen Markt, dem Prototyping, dem Kauf von Komponenten, dem Testen, der Fehlerbehebung und der Ausrichtung neuer Produkte zu tun hatten, beides "praktisch". und Managementperspektiven. Holen Sie sich 24-V-Lüfter und entsorgen Sie die PWM-Zuführungen.
Danke, das bestätigt meine Vermutung. Ich nehme an, es geht zu eBay für ein paar billige 24-V-Fans :)
Und darüber, dass Ihnen der Hersteller gesagt hat, dass die 22-uF-Kondensatoren dazu da sind, Rauschen zu reduzieren. Nun, das stimmt, aber nur in dem Sinne, dass jeder Filterkondensator in jedem Netzteil das "Rauschen" (oder Brummen) des rohen, gepulsten Gleichstroms reduziert, der ihm von einer beliebigen Quelle zugeführt wird. Absolut genaue Informationen über die 22uF. Man hat sich per se nicht täuschen lassen, aber wenn man 24V-Lüfter verwendet hätte, bräuchte man diese Kondensatoren überhaupt nicht und auch die - in diesem Fall - schlecht ausgelegte 24/12V-Versorgung.
Ja glaube ich auch. Ich vermute, sie würden dazu neigen, die 24-V-Impulse in eine variable Dauerspannung umzuwandeln, wodurch die 24-V-Lüfter nur mit einer suboptimalen Spannung laufen würden. Vertrauen Sie besser den Smoothie-Board-Designern und glauben Sie, dass diese Methode der Geschwindigkeitsmodulation am besten mit reinen 24-V-Rechteckwellen funktioniert. Ich denke, ich sollte diese Kondensatoren lieber loswerden. Oder habe ich etwas übersehen?
Nein, aber vielleicht habe ich etwas übersehen. Ich merkte, dass Sie ein echtes Problem hatten, und so sprang ich auf mein „tapferes weißes Pferd“, um einen abgedroschenen Ausdruck zu prägen, und sprang zu Ihrer Verteidigung. Ich weiß nicht, warum der Lüftergeschwindigkeitsregler vorhanden ist, da ich die genauen Anforderungen Ihres 3D-Druckers nicht kenne: Ist es wichtig, dass der Drucker die Geschwindigkeit automatisch variiert, um die Spezifikationen zu schließen, während der Druckvorgang stattfindet? Oder wählst du eine Geschwindigkeit, nur um Luft blasen zu lassen und die Dinge kühl zu halten? Oder ist die "variable" Drehzahl fest und in diesem Fall so eingestellt, dass nur 12 V an die (angenommenen) 12-V-Lüfter ausgegeben werden?
Bitte denken Sie über diese Fragen nach. Sie müssen eine Entscheidung darüber treffen, wo das eigentliche Problem liegt. Je nachdem, wofür der "Smoothie"-Controller in Ihrem Druckermodell gedacht ist, wird bestimmt, ob Sie sich vor dem Kauf von 24-V-Lüftern einen technischen Freund mit einem Oszilloskop ausleihen müssen. Könnte der Smoothie-Controller defekt sein? FYI auf eine leichte Tangente, aber nicht zu irrelevant, ein 24-VDC-Lüfter sollte bei 12 V mit reduzierter Durchflussrate gut funktionieren. Ich würde gerne mit meinen eigenen Instrumenten dabei sein und stöbern, bevor ich noch viel mehr Vorschläge mache.
Die Kühlung muss dynamisch angepasst werden (um zu verhindern, dass sich geschmolzener Kunststoff vor dem Abkühlen verformt; dies hängt von der lokalen Geometrie des gedruckten Objekts ab). Die Idee hinter dieser Niederfrequenzmodulation besteht darin, zwischen voller Geschwindigkeit und Leerlauf zu wechseln, um eine resultierende variable Geschwindigkeit zu erzielen. Ich vermute, dass es keine lineare Antwort von 0 bis 100% liefert, aber immer noch genug, um eine gewisse Variabilität zu erreichen. So wie ich es verstehe, benötigen BLDC-Motoren eine minimale Spannung für das Abschalten. Wenn Sie also die 24 V "glätten", besteht die Gefahr, dass diese Schwelle unterschritten und der Motor zum Stillstand gebracht wird. Deshalb würde ich lieber die Kondensatoren entfernen.
Was die Platine selbst betrifft, so ist der Treiber nichts anderes als ein Leistungstransistor, der von einem Mikrocontroller-Ausgangspin gesteuert wird, mit einer Diode zum Schutz vor EMF (oder wie auch immer Sie das auf Englisch nennen, wenn Sie mein Französisch entschuldigen). Ich kann nicht sehen, wie das fehlerhaft sein könnte, außer wenn der Transistor ausgefallen ist und überhaupt keinen Strom mehr liefert.

Ich kann die meisten Ihrer Fragen nicht beantworten, möchte jedoch darauf hinweisen, dass eine Einschaltdauer von 50% bei einer 24-V-Versorgung nicht zu einem Durchschnitt von 12 V führt. Wir müssen die wahren RMS-Werte von Spannung und Strom berechnen.

Wenn Ihre 12-V-Versorgung einen Strom von ich dann führt eine Verdoppelung der Spannung auf 24 V zu einem Strom von 2 ich . Da wird Macht durch gegeben P = v ICH dann geht die Momentanleistung aus 12 ich Zu 24 ⋅ 2 ich = 48 ich oder um den Faktor 4 höher. Bei 50 % Einschaltdauer ist dies die doppelte Leistung einer konstanten 12-V-Versorgung.

Geben Sie hier die Bildbeschreibung ein

Abbildung 1. Der RMS-Wert einer Rechteckwelle ist v P 1 2 . Quelle: Elektronisches Design beherrschen .

Ja, ich stimme zu, deshalb habe ich die Anführungszeichen um "durchschnittlich" hinzugefügt :) Wenn Sie diese Lüfter überspannen, wird ihnen mehr Strom zugeführt, als sie verarbeiten sollten.

Die 12-V-Lüfter sind bürstenlos und haben zerbrechliche elektronische SMD-Komponenten auf einer Leiterplatte. Betrachten Sie die Spitzenspannungen Ihres vorgeschlagenen 24-V-Einschaltdauerschemas mit 50 % Der Lüfter lief etwa 2 Minuten und erlosch dann unrühmlich mit einer kleinen Rauchwolke. Beim Abreißen des Lüfters wurde eine verbrannte Leiterplatte festgestellt. Ich füttere bürstenlose DC-Lüfter immer mit schönem reinem Gleichstrom von einem Abwärtswandler, der die Möglichkeit bietet, die Lüftergeschwindigkeit bei Bedarf einfach zu ändern.

Anscheinend sind die Lüfter, die ich bekommen habe, stark genug, um dieser Überspannung länger als 2 Minuten standzuhalten (und ich nehme an, die Kondensatoren helfen, den Spannungssprung abzuschwächen), aber das verringert wahrscheinlich ihre Lebenserwartung ernsthaft.

Es war eine interessante Diskussion, und jetzt, um bei der Beantwortung der Fragen zu helfen, ist es wirklich an der Zeit, ein Oszilloskop zu verwenden (ich weiß, dass Sie keins haben, aber ...) und mit einigen Diagnoseprüfungen der Smoothie-Controller-Platine zu beginnen Führen Sie zwischen dem Mikrocontroller und dem Gate / der Basis des Leistungstransistors den Ein- und Ausgang des Leistungstransistors ein (überprüfen Sie mit dem Oszilloskop, nicht mit Ihrem Multimeter) und prüfen Sie, was mit der Wellenform und der absoluten Spannung an ihren Spitzen an den Lüftermotoren passiert.

Sie möchten wissen, ob sich das Tastverhältnis oder Tastverhältnis (wie auch immer Sie es nennen möchten) des Mikrocontrollerausgangs in den Aktionen am Ausgang des Leistungstransistors und von dort schließlich an den Lüftern widerspiegelt.

Sie haben von all den geschätzten Mitwirkenden, die hier bei Ihrem Problem geholfen haben, viele Informationen erhalten, die Sie durcharbeiten müssen, und dennoch gibt es immer noch zu viele Unbekannte, um alle Ihre Fragen genau zu beantworten, jetzt, wo ich ein bisschen mehr hatte Zeit, mir das alles durch den Kopf zu gehen.

Und Sie werden diese diagnostischen Überprüfungen durchführen, damit Sie hierher zurückkehren und weitere Hintergrundinformationen zu den von Ihnen gestellten Fragen bereitstellen können. Viel Glück.

Ja, ich brauche sicher ein Oszilloskop, um weiter zu gehen. Zumindest ist es eine Erleichterung zu wissen, dass es da ein echtes Problem gibt und ich mir das nicht nur einbilde :)
@StanH: Es ist nicht klar, was hier vor sich geht. Ist dies eine andere Antwort als Ihre vorherige oder versuchen Sie, die Website als Diskussionsforum zu nutzen? Letzteres funktioniert nicht, da sich die Antworten mit Stimmen und Benutzersortierungspräferenzen nach oben und unten bewegen. Ich vermute, dass dies irgendwo ein Kommentar oder eine Reihe von Kommentaren sein oder in Ihre vorherige Antwort eingefügt werden sollte.
Transistor, danke. Ja, ich mache mir Gedanken über die Site-Regeln. Ich nehme alles an, was du schreibst. Ich bin erst seit ein paar Tagen hier und ich nehme an, Sie sehen meine "Lernkurve" für die Funktionsweise der Site-Regeln. Ja, diese Antwort, wie ich jetzt sehe, wäre als Kommentar vielleicht besser gewesen. Die Redakteure können meine falschen Platzierungen gerne "aufräumen", danke.
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