Automatische Lüftersteuerung (Seite 1/2: 1. Schritt (07.01.2005): Schaltungsentwicklung und Testaufbau)
Ein Artikel von Movergan
Speziell für alle Freunde leiser PCs wird hier eine automatische Lüftersteuerung entworfen. Das besondere an der Lüftersteuerung ist, dass sie versucht ohne Lüfter auszukommen und diesen im Normalfall abschaltet. Erst wenn eine erhöhte Temperatur auftritt (einstellbar), wird der Lüfter eingeschaltet. Drei Einstellungen kann man an der Steuerung vornehmen: Einschalttemperatur, Hysterese (verzögertes Abschalten) und die Lüfterdrehzahl. Diese Schaltung weist jedoch nur ein Schaltverhalten auf, die Lüfter werden nicht automatisch drehzahlgeregelt. Für Spaceflakes.de typisch sind außerdem die ausführlichen und einfach gehaltenen Erklärungen, mit denen auch Laien auskommen sollten.
Ziel der Operation: Eine Lüftersteuerung, die versucht einen möglichst leisen Betrieb der Lüfter im PC zu gewährleisten und die der Hardware dennoch Schutz vor dem Hitzetod bietet. Zunächst soll dafür eine Schaltung entwickelt werden. Die Lüftersteuerung soll den angeschlossenen Lüfter abgeschaltet lassen und sobald eine eingestellte Temperatur an einem angeschlossenen Sensor erreicht wird, soll der Lüfter eingeschaltet werden. Dadurch unterscheidet sich die Steuerungen von dem großen Angebot kommerzieller und selbstgebauter Steuerungen. Zu meinem 0dB-PC gehört auch, dass die Lüfter abgeschaltet sind, sonst erzeugt der PC ja Geräusche. Im Ernstfall, z.B. auf LANs, wo die Hardware stark beansprucht wird (bin sonst nicht so der Spieler), kann der PC dann ruhig Geräusche machen. Die Sicherheit der Hardware geht natürlich vor die Lautlosigkeit.
Zunächst möchte ich mich speziell ganz herzlich bei 'Falzo' von Modding-FAQ.de bedanken, ohne den dieses Projekt bis hier nicht möglich gewesen wäre. Er hat meine bohrenden Fragen zur Elektronik geduldig beantwortet und hilfreiche Tipps gegeben. So, nun ist genügend geschleimt worden. Dann kann ich aber auch noch auf den entsprechenden Thread im Forum bei Modding-FAQ.de hinweisen, in dem die ersten konkreten Ansätze der Lüftersteuerung ausgearbeitet wurden: >>klick<<.
Nun werde ich aber mal beginnen:
Gefragt war eine solche Abhängigkeit zwischen Temperatur und Lüfter. Ab einer gewissen Temperatur soll der Lüfter überhaupt erst anlaufen und dann möglichst schnell seine höchste Geschwindigkeit erreichen.
Nach einiger Diskussion im oben genannten Forum und anschließender eigener Überarbeitung entstand folgende Schaltung. Ich werde sie hier einmal erklären. Gewisse Grundkenntnisse in der Elektrotechnik muss ich aber vorraussetzen, da sonst keine Möglichkeit besteht, die Schaltung zu erklären. Zunächst sehen wir oben 3 12V-Eingänge. Diese werden im PC natürlich alle zusammen an 12V angeschlossen.
Hier hab ich einmal das Bauteil eingekreist, welches für die Regelung der gesamten Schaltung ausschlaggebend ist. Es handelt sich um einen temperaturabhängiger Widerstand - auch NTC (Negativer Temperatur Koeffizient) oder Heißleiter genannt - , der nachher als "Sensor" dient und in der Praxis an ein kurzes Kabel angschlossen wird, damit er an geeigneter Stelle im PC angebracht werden kann. Der Widerstand des NTC wird kleiner, je wärmer er wird.
Das Bauteil mit dem dreieckigen Symbol und der Bezeichnung U1 ist ein Komparator (auch OpAmp (Operationsverstärker) genannt). Dieser vergleicht zwei Spannungen und sobald die Spannung am Plus-Eingang größer als die am Minus-Eingang ist, schaltet er auf 'high'. Für den Betrieb benötigt er eine Versorgungsspannung von 12 Volt, die oben und unten am Schaltsymbol angeschlossen ist.
Verantwortlich für dessen Schaltverhalten ist der gesamte linke Teil der Schaltung, bestehend aus einem Trimmer P1, dem bereits genannten NTC und zwei Widerständen R1 und R2. Wie gesagt, vergleicht der OpAmp die Spannungen an seinen beiden Eingängen. Am Minus-Eingang legen wir eine feste Spannung von 6 Volt an, die durch den Spannungsteiler der beiden Widerstände R1 und R2 gebildet wird (beide 100kOhm, daher Verhältnis von 1/1, daraus folgt 6V am Minus-Eingang des OpAmp). Der OpAmp schaltet nun nur auf 'high', wenn am Plus-Eingang mehr als 6 Volt anliegen. Diese Spannung wird durch den Spannungsteiler aus Trimmer P1 und NTC bestimmt. Natürlich ist die Spannung variabel, weil ja sowohl der NTC als auch der Trimmer keinen festen Widerstand haben und sich somit das Spannungsteilerverhältnis ändern kann. Wird der Widerstand des NTC groß (bei niedrigen Temperaturen), so wird auch die Spannung, die am Plus-Eingang des OpAmp anliegt groß. Umgekehrt wird bei hoher Temperatur am NTC die Spannung am Plus-Eingang des OpAmp klein. Behalten wir also im Hinterkopf: Der OpAmp schaltet auf 'high', wenn die Temperatur am NTC niedrig ist und auf 'low', wenn sie hoch ist. Durch Einstellung des Trimmers P1 kann man das Spannungsteilerverhältnis manuell manipulieren. Man hat so die Möglichkeit, die Einschalttemperatur selbst festzulegen.
Zur übersichtlicheren Erklärung fahre ich jetzt mit dem rechten Teil der Schaltung fort. Dort ist unten unser Lüfter an einem Mosfet angeschlossen. Ein Mosfet (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor) ist eine spezielle Form eines Leistungstransistors, der über Spannung gesteuert wird. Wenn am Gate-Eingang (im Schaltbild mit 'G' gekennzeichnet) eine Spannung kleiner als ca. 8,5 Volt anliegt, leitet der Mosfet von Source (S) nach Drain (D), woraus folgt, dass der Lüfter läuft. Liegt die Gatespannung oberhalb von ca. 8,5 Volt, sperrt der Mosfet und der Lüfter geht aus. Halten wir wieder fest: Eine niedrige Spannung am Gate-Eingang des Mosfet lässt den Lüfter laufen.
Jetzt komme ich zum Bindestück zwischen OpAmp und Mosfet. Wir haben im Hinterkopf, dass der Mosfet auf 'high' geht, wenn es kühl am NTC ist. Wenn der OpAmp den Zustand 'high' hat, liegen ca. 1,5 Volt an seinem Ausgang an. Ist er auf 'low', liegt die Spannung irgendwo bei 10,5 Volt. Wenn er also auf 'high' ist (es ist kühl am NTC), ist die Spannung am Mosfet groß, ist er auf 'low' (es ist warm am NTC), ist die Spannung am Mosfet klein. Im Hinterkopf haben wir, dass der Mosfet bei kleinen Spannungen durchschaltet. Damit passt das Puzzle zusammen und der Lüfter läuft, wenn es warm ist und steht, wenn es kalt ist. Im Strang zwischen OpAmp und Mosfet befindet sich noch ein Trimmer R4, der einen Spannungsteiler zwischen der Ausgangsspannung des OpAmp und der 12 Volt der Spannungsquelle bildet. Damit kann manuell die Spannung am Gate-Eingang des Mosfet verändert werden. Dadurch lässt sich die Lüftergeschwindigkeit regeln, sobald der Lüfter läuft. Wenn der Lüfter ausgeschaltet ist, hat der Trimmer R4 keine Wirkung.
Einen letzten Teil haben wir bisher nicht angesprochen. Der Trimmer R3 und der Widerstand R7 bilden eine sogenannte Hysterese. Als Hysterese bezeichnet man physikalisch allgemein eine verzögerte Wirkungsänderung nach Änderung der Ursache. In unserem Fall wird der Lüfter bei einer gewissen Temperatur eingeschaltet, aber erst wieder ausgeschaltet, wenn die Einschalttemperatur um ein paar °C unterschritten ist. Beispiel: Der Lüfter wird bei 45°C am NTC eingeschaltet, aber erst wieder ausgeschaltet, wenn er solange gekühlt hat, dass der NTC auf 43°C abgekühlt ist. Das hat den Vorteil, dass der Lüfter nicht ständig ein- und ausgeschaltet wird, wenn sich die Temperatur am NTC am eingestellten Einschaltpunkt befindet. (In meinen Versuchen hat sich der Lüfter ohne den Hysteresezusatz in der Schaltung pro Sekunde teilweise 3x ein- und wieder ausgeschaltet.) Konkret gesagt wird dadurch die Spannung am Plus-Eingang des OpAmp länger klein gehalten, so dass der OpAmp länger auf 'low' bleibt und der Lüfter weiterläuft. Am Trimmer R3 lässt sich das Hystereseverhalten noch ein wenig einstellen. Man kann die Hysterese z.B. auf 1°C oder auch auf 10°C einstellen.
Halten wir nochmal die Ursache-Wirkungskette fest:
Es ist warm/heiß am NTC -> Der NTC hat einen kleinen Widerstand -> Die Spannung am Plus-Eingang des OpAmp ist klein (kleiner als die 6 Volt am Minus-Eingang) -> Der OpAmp schaltet auf 'low' (Ausgangsspannung ca. 1,5 Volt) -> Die Spannung am Gate-Eingang des Mosfet ist klein -> Der Mosfet schaltet durch (da Gate-Spannung kleiner als die ca. 8,5 Volt Grenzspannung) -> Der Lüfter läuft
Es ist kühl/kalt am NTC -> Der NTC hat einen großen Widerstand -> Die Spannung am Plus-Eingang des OpAmp ist groß (größer als die 6 Volt am Minus-Eingang) -> Der OpAmp schaltet auf 'high' (Ausgangsspannung ca. 10,5 Volt) -> Die Spannung am Gate-Eingang des Mosfet ist groß -> Der Mosfet sperrt (da Gate-Spannung größer als die ca. 8,5 Volt Grenzspannung) -> Der Lüfter ist aus
Die Schaltung habe ich dann auf einer Steckplatine aufgebaut. So eine Platine ist echt ein guter Freund und erspart einem viel Arbeit, weil nicht alles erst gelötet werden muss. Damit du auch den Schaltplan wiedererkennen kannst, habe ich die Platine auch von unten fotografiert. Dadurch erkennt man, wie die Löcher miteinander verbunden sind.
Die Schaltung läuft sauber und erfüllt ihren Zweck voll und ganz. Natürlich gebe ich mich damit nicht zufrieden. Letztendlich soll eine komplette Einbau-Lüftersteuerung entstehen. Aber dies ist ein Dauerprojekt und wird Schritt für Schritt entwickelt.
Zunächst möchte ich mich speziell ganz herzlich bei 'Falzo' von 
Es ist warm/heiß am NTC
Es ist kühl/kalt am NTC
