MeisterKühler

[i] Power-Lüfterendstufe

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      Hallo1001
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      Hallo Meisterkühler Gemeinde!

      Ich habe schon öfters gesehen, dass bis zu 9 Lüfter an einem Radiator verbaut wurden, nur wo soll man die Lüfter nur anschließen. Heute möchte ich Euch meine Power-Lüfterendstufe vorstellen, die hier Abhilfe schaffen kann. Hierbei handelt es sich um ein Schaltnetzteil mit vollautomatischer Justierung der Ausgangsspannung. Es spielt daher keine Rolle wie viel Lüfter angeschlossen werden, die Lüfterendstufe regelt die Lüfterspannung immer auf den vorgegebenen Wert ein. Und auch hier handelt es sich wieder um den „Leistungsteil“, der unabhängig vom „Steuerteil“ arbeitet. Durch diesen Modularen Aufbau kann sich jeder selber sein „Steuerteil“ aufbauen und dieses dann so gestalten wie er will. Damit lassen sich sehr individuelle Lüftersteuerungen erstellen, die genau auf die jeweiligen Bedingungen angepasst werden können.

      Übersicht über den Funktionsumfang:
      * 1 Analoger Kanal mit 36W (bei ausreichender Kühlung bis zu 60W bei 12V)
      * 9 Lüfteranschlüsse mit Tachosignalauswertung
      * 2 Mobo Anschlüsse (Weiterleitung der Tachosignale zum Mobo)
      * Versorgungsspannung 12V bis 20V
      * Ansteuerung über den I2C-Bus
      * hohe Auflösung von 0,1V (Lüfter können auf ca. 0,1V genau eingestellt werden)
      * geringe Abmessung – Platine 80mm x 70mm
      * integrierter Endstörfilter (PWM Störungen werden nicht auf dass PC-Netzteil übertragen)

      Materialkosten: ca. 21 Euro (Reichelt und Conrad Bestellung)

      http://www.pcfilter.de/Hallo1001/Power/001.JPG

      Der Aufbau
      Beim anschrauben des kleinen Alu-Kühlkörpers gibt es allerdings einiges zu beachten. Die 3 Leistungs-FETs führen am TO220 Gehäuse die gleiche Spannung die auch an den Lüftern anliegt. Dass heißt also dass die 3 FETs isoliert auf dem Alu-Kühlkörper angeschraubt werden müssen. In der beiliegenden Stückliste habe ich bereits Isolierscheiben und Isolierbuchsen mit herausgesucht. Am leichtesten lassen sich die Isolierscheiben ausrichten indem man etwas Wärmeleitpaste darunter verteilt. Dadurch rutschen sie bei der Montage nicht weg. Zwischen Isolierscheibe und TO220 Gehäuse würde ich auch noch etwas Wärmeleitpaste mit vorsehen, Sicher ist Sicher…

      http://www.pcfilter.de/Hallo1001/Power/002.JPG

      Dass TO220 Gehäuse vom 5V Festspannungsregler muss nicht unbedingt mit isoliert werden. Dieses Gehäuse führt Masse, genau so wie dass PC Gehäuse. Dadurch kann der kleine Alu-Kühlkörper auch direkt mit dem PC Gehäuse verbunden werden, wodurch eine viel bessere Kühlung der FETs erreicht wird (bei Lasten größer 36W erforderlich). Wer aber unbedingt einen Potentialfreien Kühlkörper haben möchte, der muss dann den 5V Festspannungsregler auch noch mit isolieren und zusätzlich darauf achten dass die Schrauben nicht den Kühlkörper berühren (Schrauben isolieren, oder Plaste Schrauben verwenden).
      Außerdem müssen die Leistungsteil-Leiterbahnen verstärkt werden, wenn man mehr als 24W anschließen möchte. Dass kann man sehr leicht realisieren, indem man die Leiterbahnen in ordentlich Lötzinn ertränkt.

      http://www.pcfilter.de/Hallo1001/Power/003.JPG

      Die Drosselspule
      Die hier verwendete Drosselspule gibt es leider nicht fertig zu kaufen. Hierfür wurde ein Ferritkern „FT 82-61“ verwendet der mit 1mm Kupferdraht bewickelt wird. Für eine gute Speicherung der Ladung werden hier ca. 190µH benötigt, was in etwa 50 Windungen sind. Mit ca. 1,6m Kupferdraht lassen sich sehr bequem 50 Windungen aufwickeln. Wenn es mehr werden ist dass auch nicht schlimm, nur weniger als 50 Windungen sollten es nicht sein. In der beigefügten Stückliste habe ich bereits Ferritkern und Kupferdraht mit herausgesucht…

      Die Programmierung
      Herzstück der Lüfterendstufe ist hier ein AVR ATmega8 Mikrokontroller, der die Ansteuerung der FETs und die Auswertung des I2C-Busses übernimmt. Damit der ATmega8 diese Aufgaben übernehmen kann muss er aber erst einmal auf die Hardware eingestellt werden und dass dafür benötigte HEX-Programm muss auch noch übertragen werden. Diese Einstellungen werden über den ISP-Programmer vorgenommen. Wer bereits von einem anderen AVR schon einen ISP-Programmer besitzt, der kann diesen natürlich auch verwenden. Ich habe aber auch noch einmal einen sehr einfachen ISP-Programmer den Anlagen mit beigelegt.

      http://www.pcfilter.de/Hallo1001/4_Kanal/002.JPG

      Der ISP-Programmer wird unter anderen von PonyProg erkannt. PonyProg ist ein kostenloses Tool mit dem der ATmega8 programmiert werden kann und es kann hier herunter geladen werden: http://ponyprog.sourceforge.net Nach der Installation von PonyProg wird die Hardware angeschlossen und mit Strom versorgt. Als Datenkabel vom ISP-Programmer zum PC wird ein RS232-Kabel mit einer 1:1 Belegung benötigt.

      http://www.pcfilter.de/Hallo1001/Power/004.JPG

      Damit ist die Hardware bereit und es kann mit der Programmierung angefangen werden. Zunächst einmal muss der ISP-Programmer in PonyProg eingestellt werden. Dazu muss man dass „Interface Setup“ aufrufen.

      http://www.pcfilter.de/Hallo1001/4_Kanal/004.JPG

      Und anschließend muss noch der Mikrokontroller ATmega8 eingestellt werden.

      http://www.pcfilter.de/Hallo1001/4_Kanal/005.JPG

      Damit sind die Einstellungen abgeschlossen und es kann mit der Programmierung des ATmega8 begonnen werden. Zuerst einmal müssen wir dem ATmega8 sagen dass er jetzt mit dem externen 16MHz Quarz arbeiten soll. Dazu müssen die Fuse-Bits des ATmega8 verändert werden. Dazu muss dass kleine Schloss in PonyProg angeklickt werden. Und anschließend werden die „original“ Fuse noch einmal eingelesen. Diese sollten dann bei einem Werksneuen ATmega8 so aussehen.

      http://www.pcfilter.de/Hallo1001/4_Kanal/006.JPG

      Anschließend müssen die Häkchen verändert werden und diese Veränderungen müssen dann zu dem ATmega8 übertragen werden. Also erst die Häkchen setzen, dann auf „Write“ klicken und dann erst auf OK.

      http://www.pcfilter.de/Hallo1001/4_Kanal/007.JPG

      Der ATmega8 ist damit konfiguriert und es kann jetzt dass eigentliche HEX Programm übertragen werden. Im Anhang befindet sich die Datei „Power.hex“. Diese Datei muss nun zum ATmega8 übertragen werden. Dazu wird die Datei zuerst in PonyProg geladen und anschließend zum ATmega8 übertragen.

      http://www.pcfilter.de/Hallo1001/4_Kanal/008.JPG

      Nach der erfolgreichen Übertragung der HEX Datei nimmt die Lüfterendstufe die Arbeit auf. Es werden jetzt die Lüfter für 5 Sekunden mit der maximalen Spannung angesteuert. Nach den 5 Sekunden werden die Lüfter auf ca. 7,0V eingestellt. Damit ist die Lüfterendstufe fertig eingerichtet und sie kann verwendet werden.

      Die Ansteuerung über den I2C-Bus
      Der I2C-Bus ist ein Datenbus und er besteht im Wesentlichen aus drei Drähten – die SCL-Leitung, die SDA-Leitung und der gemeinsamen Masse. Über die SDA-Leitung werden die Datenpakete verschickt und die SCL-Leitung gibt dabei den Takt (die Geschwindigkeit) vor.

      http://www.pcfilter.de/Hallo1001/4_Kanal/010.JPG

      Die Steuereinheit wird hier als „Master“ bezeichnet und die Power-Lüfterendstufe ist hier der „Slave“. Alle Slave Bausteine verfügen über Adresspins, mit deren Hilfe eine I2C-Bus Adresse eingestellt werden kann. Anhand dieser Adressen weis dann der Master welchen Slave er ansteuern muss. Die Lüfterendstufe verfügt genau wie ein originaler I2C-Bus Baustein über drei Adresspins (A0, A1 und A2), mit denen die Adresse eingestellt wird.

      http://www.pcfilter.de/Hallo1001/4_Kanal/011.JPG

      Sind alle drei Adresspins offen, dann hat die Lüfterendstufe die Adresse 16. Und sind alle drei Adresspins geschlossen, dann hat die Lüfterendstufe die Adresse 30. Es lassen sich also mit den Adresspins 8 Adressen einstellen. Damit können also maximal 8 von den Lüfterendstufen an einen I2C-Bus betrieben werden.

      Die Steuereinheit – der Master
      Als Master eignen sich alle Mikrokontroller, die in der Lage sind den I2C-Bus anzusteuern. Ich würde hier aber die Open-Micro, Open-Mini oder die Open-Midi empfehlen. Eine sehr ausführliche Anleitung zu den OMs findet man hier: http://om.dharlos.de Die OM ist insbesondere für „Programmieranfänger“ sehr gut geeignet, da sie sich unkompliziert in Basic programmieren lässt und sehr gut Dokumentiert ist. Außerdem gibt es hier bereits ein fertiges I2C-Modul, mit dem die OM den I2C-Bus mit 100KHz treiben kann. Für meine ersten Tests habe ich mein altes OM PE-Board verwendet.

      http://www.pcfilter.de/Hallo1001/4_Kanal/013.JPG

      Damit kann ich nun über den PC alle Einstellungen vornehmen. Die Ansteuerung über den I2C-Bus ist dabei sehr einfach:

      i2c_start
      i2c_write(Adresse)
      i2c_write(Lüfterspannung)
      i2c_write(Mobo1)
      i2c_write(Mobo2)
      i2c_stop

      Zuerst wird also der I2C-Bus gestartet. Dann wird die I2C-Bus Adresse von der Power-Lüfterendstufe übertragen. Anschließend werden die Daten für die Lüfterspannung übertragen und danach werden die Multiplexer Einstellungen für Mobo1 und Mobo2 eingestellt. Und zu guter letzt wird der I2C-Bus wieder angehalten. Eine einzelne Übertragung über den I2C-Bus könnte z.B. so aussehen:

      i2c_start
      i2c_write(16) —> Zahlen 16, 18, 20, 22, 24, 26, 28 und 30 sind erlaubt
      i2c_write(50) —> Zahlen von 0 bis 255 sind erlaubt
      i2c_write(1) —> Zahlen von 0 bis 9 sind erlaubt
      i2c_write(2) —> Zahlen von 0 bis 9 sind erlaubt
      i2c_stop

      Dieses Wirrwarr heißt auf Deutsch: Es wird die Power-Lüfterendstufe angesprochen die Hardwareseitig auf Adresse 16 (alle drei Adress-Jumper offen) eingestellt ist. Und alle Lüfter werden mit ca. 5,0V betrieben. Des weiteren wird dass Tachosignal von Lüfter1 an Mobo1 ausgegeben und dass Tachosignal von Lüfter2 wird an Mobo2 ausgegeben. Die Mobo1 und Mobo2 Anschlüsse sind galvanisch getrennt und sie können direkt mit dem Mobo verbunden werden. Es kann so jedes der 9 Tachosignale an Mobo1 und/oder Mobo2 ausgegeben werden.

      Da dass aber alles auf den ersten Blick sehr schwierig aussieht, habe ich auch kurzer Hand einen Master erstellt, der die Lüfterendstufe mittels eines Potis ansteuern kann.

      http://www.pcfilter.de/Hallo1001/Power/005.JPG

      Um hier überhaupt auf etwas Leistung zu kommen habe ich auch noch eine 12V/35W Halogenlampe mit angeschlossen. Getestet habe ich die Schaltung also mit ca. 36W bei 12V und da wird der Alu- Kühlkörper grade einmal Handwarm. Die Bauteile sind für 8A ausgelegt (96W bei 12V), allerdings würde ich nur bis 60W gehen, sicher ist sicher…
      Bei dem kleinen Master, der die Power-Lüfterendstufe steuert, muss der 5V Jumper geschlossen sein. Der Master hat hier keine eigene Stromversorgung und daher muss die Lüfterendstufe den Master auch mit Strom versorgen. Sollte ein Master verwendet werden der eine eigene Stromversorgung hat (wie z.B. mein OM PE-Board), dann MUSS der Jumper unbedingt offen bleiben. Dass Basic Programm der OM sieht dann so aus:

      http://www.pcfilter.de/Hallo1001/Power/006.JPG

      Zuerst wird der Wert vom Poti eingelesen. Danach wird der Wert über den I2C-Bus geschickt. Und anschließend wird 1 Sekunde gewartet und dann fängt dass Programm wieder von vorne an. Mit dem kleinen Progi werden nun Zahlen von 0 bis 255 übertragen, je nach Stellung des Potis. Und dass war auch schon die ganze Aufgabe des Masters (der Steuereinheit).

      Man kann also sehr leicht eine Lüftersteuerung aufbauen, indem man nur den Master selber herstellen muss. Die Vorteile liegen hier auf der Hand. Der Master kann beliebig langsam arbeiten und man braucht sich über Zeitkritische Abläufe nicht den Kopf zerbrechen. Was der Master alles können muss, dass muss jeder selbst entscheiden. Wer hier mehrere Temperatursensoren und ein LCD-Display vorsehen möchte, der kann dass jetzt individuell gestalten…

      Alle erforderlichen Daten können hier heruntergeladen werden:
      http://www.pcfilter.de/Hallo1001/Power/Power.zip

      LG Jens

      Hinweis
      Ich übernehme keinerlei Haftung für Personen- oder Sachschäden die durch den Nachbau dieser Schaltung entstehen.

      Kommentare, Fragen, Verbesserungsvorschläge und Diskussionen zu diesem Artikel sollten nicht hier, sondern im extra dafür angelegten Diskussionsthread gestellt werden. Bitte in diesem Thread keine Kommentare, Fragen usw. stellen!

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