Bin gerade hier drüber "gestolpert".. Ja ja, die Geheimnisse der Puls-Weiten-Modulation und den Unfug, den man dazu so liest:
Fakt ist PWM ist eine der elegantesten Methoden zur Steuerung oder Regelung von Gleichstromgeräten. Im besonderen wenn diese ein induktives (Motoren) oder kapazitives Verhalten (Leuchtdioden) an den Tag legen. Je nach Anwendung ergeben sich geeignete oder auch ungeeignete Frequenzen für die PWM. Die "interesanten" Werte einer PWM sind die Frequenz oder Periodendauer der PWM und der Tastgrad. (weiter unten dann eine Erklärung anhand eines LED Treibers).
Und für Motoren (und das ist unser Lüfter) ist die Energiebetrachtung interessant. Wir erinnern uns kurz an eine klassische Slotrennbahn, diese steuern die Geschwindigkeit (Drehzahl) über einen Spannungsteiler mit Potenziometer mehr oder minder geschickt. Wenn wir unserem Auto genau zuschauen beim Start und den Regler feinfühlig drücken sehen wir, dass zunächst gar nix passiert, evtl hören wir ein brummen.
Wenn wir den Regler beim Start voll durch drücken, drehen uns zunächst mal die Reifen durch und dann geht die wilde fahrt ab.
Wenn wir nun vor der Kurve die Geschwindigkeit reduzieren, wird der feinfühlige Fahrer feststellen, dass er a eine Verzögerung zwischen "Gas" weg und Auto wird langsamer hat, als auch das unser Auto in Bewegung bleibt, selbst bei Reglerstellungen, die aus dem Stand das Auto nicht bewegten. Dies liegt an effekten wie Massenträgheit, diese "glättet" das elektrische Signal. Zusätzlich wird das Signal auch noch gerne durch einen Kodensator paralell zum Motor geglättet. Dieser dreht die Induktive Wirkung des Motors zurück, insofern richtig dimensioniert.
Nun nehmen wir einen 12V Motor mit 12W leistung an (der einfachheit halber) und ignorieren die Blidleistung, weil die oben beschriebene Blidleistungskompensation optimal funktioniert. Dann hat dieser nach P=U*I bei U=12V 1A Strom den er aufnimmt und 12W elektrische Leistung (und da wir einen guten Motor verwenden auch ca 11,5W mechanische Leistung (kg*m²/s³) = 11,5 Nm/s. Die sich ergebende Leerlaufdrehzahl (auto hängt mit den Hintereifen in der Luft) und Lastdrehzahl (Auto fährt) hängt nun von den Reibungsverlusten in Getriebe etc ab, ist jedoch in beiden zu der verfügbaren Leistung / Drehmoment. Die Impedanz unseres Motors ist nach U = R * I offensichtlich 12 Ohm.
Reduzieren wir nun die Spannung auf die Hälfte 6V, ergibt sich = I = 6 V/ 12 Ohm = 0,5A. Damit ergibt sich die elektrische Leistung P=6V * 0,5 A =3VA = 3W. Die mechanische Leistung liegt nun selbst bei unserem hohen Wirkungsgrad (und der "falschen Annahme" dass die Effizienz bei niedrigen Spannungen gleich bleibt.. Tatsächlich sinkt sie, selbst bei Qualitativ hochwertigen Motoren, die wir in "billigen" Gehäuselüftern nicht haben). auf nur noch 2,875W =2,875 Nm/s. Damit ist unser maximal verfügbares Drehmoment auch nurnoch 2,875 Nm abzüglich der Reibungsverluste. Dies könnte schon zu wenig sein um die Massenträgheit aus dem Stand zu überwinden. Ausserdem führt die "Halbierung" der Spannung zu einer "viertelung" oder weniger der Drehzahl. Wenn wir nun nur noch 3V (1/4) der Spannung nutzen, so haben wir noch 0,75W resp. max. 0,7 Nm zur Verfügung. jetzt wird es echt eng den Wagen noch zum Anlaufen zu bewegen. Wir bewegen uns, wenn überhaupt mit 1/16 der maximalen Drehzahl. Ist der Wagen schon in Fahrt, kann dies ausreichen. (Sofern wir vernünftige Aerodynamik und verlustarme Getriebe haben und niedrige Rollreibung Reibung an den Achsen).
Nun betreiben wir den selben Spaß mit einer ausreichend schnellen PWM. Ich würde hier mal was um die 500Hz ansetzen. Um die Mathematik einfach zu halten und nah an der Realität zu bleiben, nehmen wir 1000Hz PWM Frequenz und glauben das ein 8bit PWM Regler nur 200 Stufen hat. Heisst der 100% Impuls dauert 0,001s (1ms), der 50% Impuls somit 0,0005s (500ns), der 1% Impuls 0,00001s (10ns) und der kürzestmögliche Impuls von 0,5% 5ns.
Bei 100% Tastgrad kommen wir exakt auf die gleiche Leistung wie bei der Spannungssteuerung. Aber was passiert bei 50%. Unser Motor bekommt in einer Sekunde 500ms lang vollen Strom und Spannung und 500ms nix. Bei einer PWM Frequenz von 1HZ würde unser Auto wahrscheinlich Losfahren und stehen bleiben und wieder losfahren. Und dass netter weise mit einem Drehmoment von 11,5Nm, aber nur 6W verbrauchen, denn die hälfte der Zeit ist er ja aus. Da wir aber dieses losfahren stehenbleiben 1000 mal in der Sekunde spielen, bleibt unser Auto tatsächlich nicht stehen, sondern bewegt sich mit ziemlich genau halber Drehzahl vorwärts und es wird losfahren, da ihm kurzfristig immer die 11,5Nm zur Verfügung stehen. Wichtig, im Mittel jedoch nur 5,75Nm da er ja die andere Hälfte der Zeit spannungsfrei ist. Und bei 25% Tastgrad kommen wir auf 25% der Drehzahl, haben immernoch volles Anfahrmoment. wir haben 12V für 250ns und 0V für 750ns. Unser Wagen wird damit möglicherweise noch los fahren, während er dies bei 25% spannung nicht tut. Trotzdem sind wir hier schon an der Grenze (wenn wir wie oben 2,875W / 2,875 Nm als Minimum annehmen um die Trägheit und die Haftreibung der Lager zu überwinden. Trotzdem hier der klare vorteil, ich kann mit 25% drehzahl anfahren und diese stellt sich tatsächlich nach 25% des Drückerweges ein. Deshalb ist PWM eine geniale Sache. 25% Tatsgrad bedeuten auch tatsächlich 25% Leistung = 25% effektives Drehmonmet bei 100% maximalem Drehmoment und auch 25% Drehzahl (sofern es ausreicht um eine Drehung zu erzeugen).
Dieses Spiel könnte man nun sogar an einem Lüfter mit 2 Pins spielen, kein Problem, jedoch habe ich dann eine Lüftersteurung und keine Regelung.
Für eine Regelung brauche ich eine Rückmeldung vom Lüfter über die Drehzahl. Der dritte draht an 3 Pin und 4 Pin PWM Lüftern.
Nun könnte man PWM Natürlich auc auf der Versorgungsspannung von einem 3Pin Lüfter spielen. Hat nur das Problem, dass bei 25% zum Beispiel der Drehzahlsensor 75% der Zeit Blind ist, sofern ich nicht zum Beispiel mit einem Kondesator die PWM für den Drehzahlgeber wieder in eine konstante Gleichspannung verwandle. (Aufwändige Schaltung am Lüfter.)
Ausserdem muss ich von der Regelsoftware aus bei niedrigen Drehzahlen kurz eine höhere Drehzahl vorgeben, damit der Lüfter tatsächlich los läuft (ok, ist kein Problem da ich ja eine eine Reglung mit Rückmeldung habe)
Und so kam man zur 4pin PWM, Masse (Pin 1) Versorgungsspannung 12V (Pin 2) damit der Geber immer läuft, Drehzahlgeber Singnal (Pin 3), PWM Signal (Pin 4). Wenn man nun in die Spezifikation schaut, stellt man fest, dass ein 25kHZ PWM signal (mit 3Khz Varianz) mit 0V low und 5V High level hier vorgegeben wird. Ausserdem wird gefordert, dass der Lüfter von selbst ein nicht vorhandenes PWM Signal erkennt und automatisch auf volle Drehzahl geht. Heisst ein Board, das einen 4 Pin Anschluss für PWM Lüfter zur verfügung stellt, aber keine PWM macht, kann hier sowohl n/c sein (schlechte VAriante) oder +5V auf dem Pin liefern (gute Variante).
Ich kann aber auch einen 3Pin Lüfter, der PWM nicht versteht an den PWM Anschluss anschließen. Er läuft dann halt mit voller drehzahl, egal was ich an der Steuerung vorgibt.
Ausserdem ist der Lüfterhersteller frei, was genau er mit dem PWM Signal anfängt. Im einfachsten Fall, sofern seine Mechanik es zuläst, übernimmt er es einfach. Er kann aber auch das Signal aufnehmen, auswerten und ein eigenes Profil zur Ansteuerung seines Lüfters nutzen. Billige Lüfter tun das eine, hochwertige das andere.
Intel fordert, dass der Lüfter aus dem Stand spätestens bei 30% PWM anläuft.
Intel lässt zu, dass für einen Start mit niedrigerer Drehzahl kurzfristig (bis 2 sekunden, das Signal auf 30% angehoben wird).
Der Hersteller darf ein niedrigeres Minimum Fan Speed für den laufenden Fan haben.
Von min bis max Fan Speed muss der Lüfter sich linear zum PWM Signal verhalten. Eine abweichung von 10% zur linearen Kurve ist zulässig.
Für den Betrieb unterhalb der Minimum Fan Speed spezifiziert intel drei Verhalten:
Typ A: Der Lüfter läuft mit min Speed weiter, egal was die PWM sagt
Typ B: Der Lüfter läuft mit min Speed weiter, und schaltet bei keinem Signal ab
Typ C: Der Lüfter reduziert weiter seine Geschwindigkeit und schaltet ab, wenn die verfügbare Leistung nichtmehr reicht um ihn am laufen zu halten.
Wie der Lüfter das nun genau erreicht bleibt dem Hersteller überlassen, dies geht von einfachen Schaltungen bis hin zu einer eigenen Microcontrollerlösung. Und so kann oder will, wie hier erwähnt, evtl selbst der "Hersteller" nicht genau sagen wie der Lüfter das Problem löst. (Viele Hersteller kaufen in China ein und labeln dann)
Und nun kommen wir zu Brummen oder sonstigen Nebengräuschen bei bestimmten Geschwindigkeiten. Es kommt mehr oder weniger zwangsweise zu resonanzen und oberschwingungen, die von der mechanik und oder der internen elektronischen Lösung mehr oder minder gut aufgefangen werden. Hierzu gibt es die verschiedensten und "wildesten" Lösungen. Eine davon ist dynamic frequency. Abhängig von der gewünschten Drehzahl wird die tatsächlich am Lüfter genutzte PWM Frequenz verändert um solche Dinge zu vermeiden.
Dazu muss der Hersteller aber seinen Lüfter kennen und bereit sein eine solche "schlaue" Elektronik verbauen.
Und falls ein PWM Lüfter mal, weil der PArt "no signal" = volle Drehzahl schwierig umzusetzen ist, an nem 3Pin Anschluss nicht laufen, einfach auf den 4. Pin 5V oder modern 3,3V geben. Schon sollte er laufen. Tut er es immer noch nicht, ist er in den Fritten
Deswegen erwähnte ich den 
für den Laien
