30.5.13: Computerlüfter-Elektronik,
von Hartmut Birett
Auf der Suche nach einem Datenblatt im Internet fand ich Ihre Bastelecke. Dort haben Sie einen Magnetschalter aus einem Lüfter extrahiert. Dazu hätte ich – nach Schilderung meiner Beobachtungen - zwei Fragen.
Vor mehreren Jahren habe ich im Wahlpflichtfach Physik (9./10. Klasse) zusammen mit Schülern auch Schaltungen zerlegt und dabei einmal einen Computerlüfter untersucht.
A) Die Schaltung ist diskret aufgebaut. Mit einem Zweikanal-Oszilloskop kann man an den beiden Spulen die entgegengesetzte Phase sowie eine kleine Phasenverschiebung erkennen. Am Ringmagneten kennzeichneten wir die Nord- und Südpole. Hält man an den Sensor einen Nordpol, so bildet sich am Anker X (Abb. c) ein Nordpol aus und der Ringmagnet wird gegen den Uhrzeigersinn bewegt. Die Drehzahl hängt von der Betriebsspannung ab. Dann legten wir zu jedem Elko einen mit 2200 Mikrofarad parallel und der Motor drehte sich sehr langsam.
Später ergänzte ich zwei LEDs, mit Nordpol am Sensor leuchtet die rote LED. Nicht ganz klar ist mir, wieso sich der Ringmagnet in Ruhe nicht symmetrisch zu einer Ankerachse ausrichtet, vgl. Abb. c. (Die vier Pfeile zeigen die zweite Ruhemöglichkeit.) Oder ist die Anordnung Spitze zu Spitze magnetisch besonders ausgeprägt? Die unsymmetrische Ausrichtung garantiert, dass der Lüfter immer gegen den Uhrzeigersinn läuft.
B) Ein später untersuchter Lüfter (mit dem 4 poligen IC der Bezeichnung 211) ergab Abb. d. (Ein Datenblatt zu diesem IC habe ich im Internet nicht gefunden.) Bei dem IC wird Pin 1 nicht verwendet, es gibt eine Leiterbahn, die bei einem unbenutzten Lötloch neben der Stromversorgung endet. Dabei fanden wir, dass die Pins 1 und 2 immer gleichzeitig z.B. auf Masse liegen, eventuell ist Pin 1 der Kontakt, der bei manchen Lüftern zur Drehzahlmessung verwendet wird. Dann versuchten wir die Spulenwicklungen zu entschlüsseln. Dazu kratzten wir einen Draht (Pfeil) an und ich vermute den schematisiert gemalten Drahtverlauf, Abb. e.
Hier ist mir die Aufteilung der Windungszahlen nicht plausibel: Bei Variante A (Abb. b) erzeugen die Spulen zwei gegenüberliegende Südpole und senkrecht dazu ergeben sich Nordpole. Bei B (Abb. e) erzeugen die 25 Ohm-Spulen einen schwachen Nordpol zusätzlich.
Auf der Suche nach einem Datenblatt im Internet fand ich Ihre Bastelecke. Dort haben Sie einen Magnetschalter aus einem Lüfter extrahiert. Dazu hätte ich – nach Schilderung meiner Beobachtungen - zwei Fragen.
Vor mehreren Jahren habe ich im Wahlpflichtfach Physik (9./10. Klasse) zusammen mit Schülern auch Schaltungen zerlegt und dabei einmal einen Computerlüfter untersucht.
A) Die Schaltung ist diskret aufgebaut. Mit einem Zweikanal-Oszilloskop kann man an den beiden Spulen die entgegengesetzte Phase sowie eine kleine Phasenverschiebung erkennen. Am Ringmagneten kennzeichneten wir die Nord- und Südpole. Hält man an den Sensor einen Nordpol, so bildet sich am Anker X (Abb. c) ein Nordpol aus und der Ringmagnet wird gegen den Uhrzeigersinn bewegt. Die Drehzahl hängt von der Betriebsspannung ab. Dann legten wir zu jedem Elko einen mit 2200 Mikrofarad parallel und der Motor drehte sich sehr langsam.
Später ergänzte ich zwei LEDs, mit Nordpol am Sensor leuchtet die rote LED. Nicht ganz klar ist mir, wieso sich der Ringmagnet in Ruhe nicht symmetrisch zu einer Ankerachse ausrichtet, vgl. Abb. c. (Die vier Pfeile zeigen die zweite Ruhemöglichkeit.) Oder ist die Anordnung Spitze zu Spitze magnetisch besonders ausgeprägt? Die unsymmetrische Ausrichtung garantiert, dass der Lüfter immer gegen den Uhrzeigersinn läuft.
B) Ein später untersuchter Lüfter (mit dem 4 poligen IC der Bezeichnung 211) ergab Abb. d. (Ein Datenblatt zu diesem IC habe ich im Internet nicht gefunden.) Bei dem IC wird Pin 1 nicht verwendet, es gibt eine Leiterbahn, die bei einem unbenutzten Lötloch neben der Stromversorgung endet. Dabei fanden wir, dass die Pins 1 und 2 immer gleichzeitig z.B. auf Masse liegen, eventuell ist Pin 1 der Kontakt, der bei manchen Lüftern zur Drehzahlmessung verwendet wird. Dann versuchten wir die Spulenwicklungen zu entschlüsseln. Dazu kratzten wir einen Draht (Pfeil) an und ich vermute den schematisiert gemalten Drahtverlauf, Abb. e.
Hier ist mir die Aufteilung der Windungszahlen nicht plausibel: Bei Variante A (Abb. b) erzeugen die Spulen zwei gegenüberliegende Südpole und senkrecht dazu ergeben sich Nordpole. Bei B (Abb. e) erzeugen die 25 Ohm-Spulen einen schwachen Nordpol zusätzlich.
Die Frage sei hiermit an Alle gerichtet: Gibt es irgendwo genauere Informationen, wie so ein Motor konstruiert ist?
5.7.13: Eine weitere Lüftermotor-Variante, von Hartmut Birett
Auf einem Flohmarkt fand ich einen kleinen Lüfter und er enthielt wie erhofft eine andere Motorvariante: Die Schaltung entspricht – allerdings mit SMD Bauteilen – der Schaltung (a), jedoch ohne die beiden Kondensatoren. Oberhalb und unterhalb der bifilar gewickelten Spule befinden sich – um 90° versetzt – die Doppel-T-Anker. Wie man auf dem Foto sieht, sind sie außen unsymmetrisch geformt, so dass mir hier die eindeutige Drehrichtung plausibel ist.
Somit haben wir nun vier Motorvarianten: Mein (a) und (b), die der Handskizze „Aktiver Nord und Südpol“ und nun diese mit der Ringspule. (Die rechte Handskizze „Passiver Südpol“ entspricht (b).) Die eindeutige Drehrichtung der ersten 3 Varianten ist mir noch uneinsichtig.
Vermutlich gibt es noch mehr Typen, da ja wohl jeder Hersteller patentbedingt etwas verändern muss und man die Wickelungen der Spulen gut variieren kann.
16.2.15: Nachtrag: Unsymmetrischer Motoranker, von Hartmut Birett
Nun kam ich wieder auf dieses Thema und sah mir den Motor der ersten Variante genauer an und - siehe da - der Anker ist um einen Millimeter unsymmetrisch geschliffen. An den weiß markierten Anker-Enden beträgt deren Abstand 24 mm und an den blau markierten Anker-Enden nur 22 mm.
11.7.13: Bürstenlose (BL) Gleichstrommotoren (Lüftermotoren) im Schnelldurchgang, von Heinz D.
Der Rotor steuert den Hall-Schalter, nicht der Stator. Der Hall-Schalter ersetzt Bürsten und Kollektor eines Gleichstrommotors. Da er nicht umpolen kann werden 2 Spulen geschaltet und die Hälfte des Kupfers ist verloren. Vom Hallschalter wird die nächste (in Drehrichtung) Spule eingeschaltet. Dreht sich der Rotor in die falsche Richtung, dann unterbricht der Hall-Schalter sofort, der Rotor fällt in die Ruhelage zurück (bekommt Strom) und dreht dann richtig herum. Dreht man die Spannung langsam hoch, sieht man manchmal das Zittern um die Ruhelage.
Datenblätter und Wickelschema zum Lüfter von Heinz D.:
Anbei Datenblätter von S211 und S210 (S210 in meinem Lüfter). Download: Datenblätter
5.7.13: Eine weitere Lüftermotor-Variante, von Hartmut Birett
Auf einem Flohmarkt fand ich einen kleinen Lüfter und er enthielt wie erhofft eine andere Motorvariante: Die Schaltung entspricht – allerdings mit SMD Bauteilen – der Schaltung (a), jedoch ohne die beiden Kondensatoren. Oberhalb und unterhalb der bifilar gewickelten Spule befinden sich – um 90° versetzt – die Doppel-T-Anker. Wie man auf dem Foto sieht, sind sie außen unsymmetrisch geformt, so dass mir hier die eindeutige Drehrichtung plausibel ist.
Somit haben wir nun vier Motorvarianten: Mein (a) und (b), die der Handskizze „Aktiver Nord und Südpol“ und nun diese mit der Ringspule. (Die rechte Handskizze „Passiver Südpol“ entspricht (b).) Die eindeutige Drehrichtung der ersten 3 Varianten ist mir noch uneinsichtig.
Vermutlich gibt es noch mehr Typen, da ja wohl jeder Hersteller patentbedingt etwas verändern muss und man die Wickelungen der Spulen gut variieren kann.
16.2.15: Nachtrag: Unsymmetrischer Motoranker, von Hartmut Birett
Nun kam ich wieder auf dieses Thema und sah mir den Motor der ersten Variante genauer an und - siehe da - der Anker ist um einen Millimeter unsymmetrisch geschliffen. An den weiß markierten Anker-Enden beträgt deren Abstand 24 mm und an den blau markierten Anker-Enden nur 22 mm.
11.7.13: Bürstenlose (BL) Gleichstrommotoren (Lüftermotoren) im Schnelldurchgang, von Heinz D.
Der Rotor steuert den Hall-Schalter, nicht der Stator. Der Hall-Schalter ersetzt Bürsten und Kollektor eines Gleichstrommotors. Da er nicht umpolen kann werden 2 Spulen geschaltet und die Hälfte des Kupfers ist verloren. Vom Hallschalter wird die nächste (in Drehrichtung) Spule eingeschaltet. Dreht sich der Rotor in die falsche Richtung, dann unterbricht der Hall-Schalter sofort, der Rotor fällt in die Ruhelage zurück (bekommt Strom) und dreht dann richtig herum. Dreht man die Spannung langsam hoch, sieht man manchmal das Zittern um die Ruhelage.
Datenblätter und Wickelschema zum Lüfter von Heinz D.:
Anbei Datenblätter von S211 und S210 (S210 in meinem Lüfter). Download: Datenblätter
24.5.13: Prototypenbau
Quick and (very) dirty, dies ist meine beliebte Aufbautechnik, wenn es darum geht, eine Schaltungsidee auszuprobieren. Hier war es ein neues Projekt für Franzis: Ein Testgerät für elektrische und magnetische Wechselfelder. Möglichst vielseitig in der Anwendung und dabei möglichst sparsam in der Herstellung, da muss man schon einiges hin und her probieren. Wenn es irgendwie geht, nehme ich einen Blechdeckel und fange einfach mal an. Das Ziel ist, möglichst viele Entwicklungsschritte vor der ersten Platine. In diesem Fall ist die Schaltung auf dem Blechdeckel mehrfach stark umgebaut worden. Als ich zufrieden war kam die Zeichnung der Schaltung und dann das Platinenlayout in Eagle (Dank an Klaus Hagemann!). Dann mehrfach scharf hingeschaut und Prototypen bestellt. Kaum zwei Wochen später lagen vier Prototyp-Platinen auf dem Tisch, alles schön mit SMD bestückt. Und dann der spannende Moment: Luft anhalten und Spannung anlegen. Hurra, es funktioniert! Es ist natürlich immer möglich, dass doch noch ein Fehler eingebaut wurde, aber diesmal hatte ich Glück. Also hat die Blechdeckeltechnik viel Kosten und Mühe gespart.
Quick and (very) dirty, dies ist meine beliebte Aufbautechnik, wenn es darum geht, eine Schaltungsidee auszuprobieren. Hier war es ein neues Projekt für Franzis: Ein Testgerät für elektrische und magnetische Wechselfelder. Möglichst vielseitig in der Anwendung und dabei möglichst sparsam in der Herstellung, da muss man schon einiges hin und her probieren. Wenn es irgendwie geht, nehme ich einen Blechdeckel und fange einfach mal an. Das Ziel ist, möglichst viele Entwicklungsschritte vor der ersten Platine. In diesem Fall ist die Schaltung auf dem Blechdeckel mehrfach stark umgebaut worden. Als ich zufrieden war kam die Zeichnung der Schaltung und dann das Platinenlayout in Eagle (Dank an Klaus Hagemann!). Dann mehrfach scharf hingeschaut und Prototypen bestellt. Kaum zwei Wochen später lagen vier Prototyp-Platinen auf dem Tisch, alles schön mit SMD bestückt. Und dann der spannende Moment: Luft anhalten und Spannung anlegen. Hurra, es funktioniert! Es ist natürlich immer möglich, dass doch noch ein Fehler eingebaut wurde, aber diesmal hatte ich Glück. Also hat die Blechdeckeltechnik viel Kosten und Mühe gespart.
13.5.13: Bypass-Kondensator beim LM386
Im Datenblatt des NF-Verstärkers LM386 wird auf einen optionalen Bypass-Kondensator am Pin 7 hingewiesen. Bisher habe den immer weggelassen. Aber jetzt gab es bei einem Projekt ein Problem: Das Gerät wurde mit einem Schaltnetzteil betrieben. Auf der Betriebsspannung lag ein sägezahnförmiges Ripple-Signal mit etwa 1 kHz. Und dieses Signal war ständig leise aber trotzdem sehr störend aus dem Lautsprecher zu hören. Ein Test mit einem 10-µF-Bypass-Kondensator war erfolgreich: Völlige Stille. Wichtig ist auch, dass der zweite der beiden Eingänge im Interesse geringer Verzerrungen mit an GND liegt, siehe: UKWradio9.html
Im Datenblatt des NF-Verstärkers LM386 wird auf einen optionalen Bypass-Kondensator am Pin 7 hingewiesen. Bisher habe den immer weggelassen. Aber jetzt gab es bei einem Projekt ein Problem: Das Gerät wurde mit einem Schaltnetzteil betrieben. Auf der Betriebsspannung lag ein sägezahnförmiges Ripple-Signal mit etwa 1 kHz. Und dieses Signal war ständig leise aber trotzdem sehr störend aus dem Lautsprecher zu hören. Ein Test mit einem 10-µF-Bypass-Kondensator war erfolgreich: Völlige Stille. Wichtig ist auch, dass der zweite der beiden Eingänge im Interesse geringer Verzerrungen mit an GND liegt, siehe: UKWradio9.html
10.5.13: Switch Mode Steckernetzteile, von Peter Krüger
Betr. den Bericht: 14.4.09: Reparatur eines STK500: Nachbesserung: In der Zwischenzeit habe ich mein eigenes ebenfalls gekillt (vielleicht durch statische Ladung...). Stromversorgung von STK500 und anderen Baugruppen: Ich verwende übrigens nur noch Steckernetzteile mit Transformator!
Heutzutage sind Stromversordungen mit Transformator selten beworden, es werden fast nur noch Switch mode Steckernetzteile angeboten. Switch Mode PSU sind verlockend klein und billig geworden, haben allerdings bei der Versorgung von Halbleiterbaugruppen auch schädliche Eigenschaften.
Wie schon in den von mir verfassten Artikelen beschrieben, haben viele Switch Mode PSU einen internen Kopplungskondensator von primär AC nach sekundär DC-Ausgang eingebaut. Siehe auch:
ESD-Gefahr durch Laptop-Netzteile
ESD-geschützter PingPong-Adapter
Falls ein Switch Mode Stecker-Stromversorgung/PSU verwendet werden soll, vor Verwendung sollte die PSU unbedingt auf einen internen Kopplungskondensator untersucht werden.
Die interne Kopplungskapazität kann mit jedem DVM mit Kapazitätsmessbereich gemessen werden. DVM Messproben Polarität ist in diesem Fall egal. DVM GND-Probe an PSU AC-Eingang legen, AC-Eingangspin ist egal. DVM Messbereich Eingangsprobe an PSU DC-Ausgang legen. Plus oder Minus Ausgang ist egal. Während der Messung die DVM-Proben nicht mit den Fingern berühren, sonst Falschmessung!
Ich untersuchte 5 Switch Mode Steckernetzteile: Ergebnis: 50 pF bis 1,5 nF.
Betrieb von Halbleiterbaugruppen mit Switch Mode Steckernetzteil und internem Kopplungskondensator: An dem DC-Ausgang können 220V AC, entspricht +/- 310V p/p anliegen. Falls ein uC- oder FPGA Baugruppe mit ungeschützten I/O-Port's bei Erstkontakt mit mit Erdpotenzial wie z.B. Computer-Erde in Berührung kommt, ist eine Zerstörung der Baugruppen Hardware nicht auszuschließen.
Das gleiche gilt auch für die Stromversorgung von Halbleiterbaugruppen über die USB-Laptopstromversorgung!
Alternative Messung:
a) Spannungsprüfer mit Glimmlampe: Stecker-PSU in Steckdose einstecken, auf Stromversorgung = eingeschaltet prüfen. Mit Einem Finger Steckdosenleiste-Erde berühren. Mit anderer Hand/Finger am Spannungsprüfer den DC-Ausgang plus oder minus berühren. Falls Glimmlampe leuchtet, besser nicht verwenden!
b) DVM im AC Bereich > 220V einstellen:
DVM GND-Probe an DC-Ausganglegen, Messbereich Eingangsprobe mit Steckdosen-Steckerleiste den Erdkontakt berühren. Während der Messung die DVM-Proben nicht mit den Fingern berühren, sonst Falschmessung! Falls eine Spannung gemessen wird, besser nicht verwenden!
Ich hatte übrigens auf diese Art an 2 Steckernetzteilen/DC-Ausgang 90V AC gemessen!
Die einfachste Art AC-Potenzial an dem DC-Ausgang zu messen:
DVM auf AC-Bereich > 220V stellen, Erste DVM-Eingangsprobe an DC-Ausgang (polarität ist egal) halten, Zweite DVM-Eingangsprobe an Erdanschluss z.B. Schuko Steckdose halten. Wenn mehr als etwa 3V AC gemessen werden dieses Steckernetzteil nicht verwenden. Das gleiche Prüfung/AC-Potenzial gilt auch für die Stromversorgung von PC-USB-Stromversorgung
ESD_Switch-Mode-Steckernetzteil-V3.pdf
ESD-Protection und Human Body Model
Betr. den Bericht: 14.4.09: Reparatur eines STK500: Nachbesserung: In der Zwischenzeit habe ich mein eigenes ebenfalls gekillt (vielleicht durch statische Ladung...). Stromversorgung von STK500 und anderen Baugruppen: Ich verwende übrigens nur noch Steckernetzteile mit Transformator!
Heutzutage sind Stromversordungen mit Transformator selten beworden, es werden fast nur noch Switch mode Steckernetzteile angeboten. Switch Mode PSU sind verlockend klein und billig geworden, haben allerdings bei der Versorgung von Halbleiterbaugruppen auch schädliche Eigenschaften.
Wie schon in den von mir verfassten Artikelen beschrieben, haben viele Switch Mode PSU einen internen Kopplungskondensator von primär AC nach sekundär DC-Ausgang eingebaut. Siehe auch:
ESD-Gefahr durch Laptop-Netzteile
ESD-geschützter PingPong-Adapter
Falls ein Switch Mode Stecker-Stromversorgung/PSU verwendet werden soll, vor Verwendung sollte die PSU unbedingt auf einen internen Kopplungskondensator untersucht werden.
Die interne Kopplungskapazität kann mit jedem DVM mit Kapazitätsmessbereich gemessen werden. DVM Messproben Polarität ist in diesem Fall egal. DVM GND-Probe an PSU AC-Eingang legen, AC-Eingangspin ist egal. DVM Messbereich Eingangsprobe an PSU DC-Ausgang legen. Plus oder Minus Ausgang ist egal. Während der Messung die DVM-Proben nicht mit den Fingern berühren, sonst Falschmessung!
Ich untersuchte 5 Switch Mode Steckernetzteile: Ergebnis: 50 pF bis 1,5 nF.
Betrieb von Halbleiterbaugruppen mit Switch Mode Steckernetzteil und internem Kopplungskondensator: An dem DC-Ausgang können 220V AC, entspricht +/- 310V p/p anliegen. Falls ein uC- oder FPGA Baugruppe mit ungeschützten I/O-Port's bei Erstkontakt mit mit Erdpotenzial wie z.B. Computer-Erde in Berührung kommt, ist eine Zerstörung der Baugruppen Hardware nicht auszuschließen.
Das gleiche gilt auch für die Stromversorgung von Halbleiterbaugruppen über die USB-Laptopstromversorgung!
Alternative Messung:
a) Spannungsprüfer mit Glimmlampe: Stecker-PSU in Steckdose einstecken, auf Stromversorgung = eingeschaltet prüfen. Mit Einem Finger Steckdosenleiste-Erde berühren. Mit anderer Hand/Finger am Spannungsprüfer den DC-Ausgang plus oder minus berühren. Falls Glimmlampe leuchtet, besser nicht verwenden!
b) DVM im AC Bereich > 220V einstellen:
DVM GND-Probe an DC-Ausganglegen, Messbereich Eingangsprobe mit Steckdosen-Steckerleiste den Erdkontakt berühren. Während der Messung die DVM-Proben nicht mit den Fingern berühren, sonst Falschmessung! Falls eine Spannung gemessen wird, besser nicht verwenden!
Ich hatte übrigens auf diese Art an 2 Steckernetzteilen/DC-Ausgang 90V AC gemessen!
Die einfachste Art AC-Potenzial an dem DC-Ausgang zu messen:
DVM auf AC-Bereich > 220V stellen, Erste DVM-Eingangsprobe an DC-Ausgang (polarität ist egal) halten, Zweite DVM-Eingangsprobe an Erdanschluss z.B. Schuko Steckdose halten. Wenn mehr als etwa 3V AC gemessen werden dieses Steckernetzteil nicht verwenden. Das gleiche Prüfung/AC-Potenzial gilt auch für die Stromversorgung von PC-USB-Stromversorgung
ESD_Switch-Mode-Steckernetzteil-V3.pdf
ESD-Protection und Human Body Model