Funktionsweise von 4-Pin PWM-Lüftern

F(r)og of War

Lieutenant
Dabei seit
Juli 2009
Beiträge
786
Habe viel gegooglet (und auch hier die Sammeltheads und FAQs überflogen), aber ab einem gewissen Punkt finde ich einfach keine genauen Informationen mehr.
Sogar eher im Gegenteil: Je mehr ich suche, desto mehr Widersprüche und falsche Aussagen finde ich...

Ich hoffe ihr könnt ein wenig Licht ins Dunkle bringen.

Es geht um die Funktionsweise von 4-Pin PWM-Lüftern.
Die Erklärung hier (http://www.elektronik-kompendium.de/sites/com/1503111.htm) finde ich noch am genausten, gerade weil da auch die Verwendung von PWM bei 3-Pin Lüftern mit erwähnt wird.
Und ich glaube genau da wird bereits viel durcheinander geworfen....

Beim 3-Pin PWM Betrieb (der wohl sehr exotisch ist) kriegt der Lüfter direkt das modulierte Signal als Betriebsspannung zu fressen.
Der Lüfter wird mit hoher Frequenz die ganze Zeit An- und Ausgeschaltet. Je länger er angeschaltet (und kürzer ausgeschaltet) ist, desto schneller läuft er und umgekehrt (Tastgrad).

Dieses Vorgehen hat einige Nachteile, so hat man dem PWM-Signal ein eigenes Kabel gegönnt = 4-Pin PWM-Lüfter.
Die Lüfter haben jetzt wieder eine "saubere" 12V-Leitung.
Soweit alles gut, aber jetzt:
Die interne (im Lüfter) Regelelektronik bzw. der Drehzahlregler kümmert sich jetzt um die Geschwindigkeit des Lüfters.

Aber wie sieht das im Detail aus????
Wird (wie ich oft lesen musste) das PWM Signal auch wieder einfach nur an den Lüftermotor weitergereicht (Der Lüfter macht also auch wieder: an, aus, an, aus, an, aus),
oder kümmert sich die Elektronik (z.B. mittels Spannungsteiler o.ö.) um eine "saubere"/konstante Absenkung der Spannung?
....oder läuft es ganz anders ab?


Würde mich sehr interessieren.
 

Andreas999.nlb

Lt. Commander
Dabei seit
Aug. 2008
Beiträge
1.214
Hi,
da gibts auch wieder verschiedene Möglichkeiten der Ansteuerung
die beiden Hauptsächlichen hast ja schon selber genannt.
Der Lüfter muß im groben und ganzen mit den beiden gängigsten
zurechtkommen. Wobei ich pers. die saubere Lösung mit den +-12V
und das PWM Signal als 0-10V empfinde. So wird es eigendlich in der
Regeltechnik gelöst. Der Nachteil dabei ist leider der Kostenpunkt.
Deswegen ist die an-aus-an-aus-an Modulation am verbreitetsten im
PC Bereich. Deswegen hat es sich ja so auch durchgesetzt. Die Impulse
werden dann hat schneller oder langsamer an den Lüfter gesendet.
Das ganze wird dann ja auch Puls - Weiten - Modulation genannt.
Wenn das ganze grob gesehen auf einen Dimmer übertragen würdest
wären das dann die Phasen An oder Abschnitt Dimmer.
 

EchoeZ

Commander
Dabei seit
März 2009
Beiträge
2.980
Interessante Frage.. und einen 3-pin PWM hab ich noch nicht gesehen. Meine erste Idee: Die Leistung des PWM Signals wird zu schwach sein um den Lüfter anzutreiben (3-pin PWM sollten dann kleine,schwache Lüfter sein ?!) Die elektronik des Lüfters wirkt dann wie ein schneller Schalter, der mit dem Pulsweitensignal die 12V Versorgung "schaltet"....
Ergänzung ()

@Andreas, das Beispiel mit dem phasenabschnittdimmer ist wirklich sehr grob ;)
 

Nilson

Fleet Admiral
Dabei seit
Dez. 2008
Beiträge
21.279
Im Grunde ist es auch nur: an aus an aus (am PC meist mit ca. 25 kHz).

Vorteil der vierten Leitung: Leistungs- und Steuerteil können auf dem Mainboard getrennt werden. D.h. der Chip, die die PWM erzeugt muss nur extrem kleine Leistungen ab können und ist somit günstiger, platzsparender etc.. Im Lüfter selbst schaltet dann meist ein Mosfet die 12 V zu oder ab. Bei der 3 Pin PWM Variante fließt der gesamte Strom, den der Lüfter zieht auch durch die Elektronik die das PWM erzeugt.

Das ganze ist dann meist noch erweitert (Lüfter auch an wenn PWM = 0 etc.)
 
Zuletzt bearbeitet:

e-Funktion

Commodore
Dabei seit
Feb. 2013
Beiträge
4.390
@Echoez: Wie soll eine konstante 12V-Spannung zu schwach sein um den Lüfter anzutreiben? PWM @100% duty cycle ist nix anderes. Man kann auch PWM mit viel Leistung verwenden.

Ausnahmen wie Nilson gerade ergänzte, dass die Leistungs insgesamt beschränkt ist. An sich sollte das bei nem schäbigen Lüfter nicht das Problem sein :D
 

Andreas999.nlb

Lt. Commander
Dabei seit
Aug. 2008
Beiträge
1.214
@EchoeZ,
wenn man nicht aus dem Bereich kommt die die Theorie dann
doch sehr erschlagend :rolleyes: Deswegen erwähnte ich den
"Dimmer" als sehr grob da ja ein "kleiner" drehen beim Licht dunkler
und demnach beim Lüfter langsamer wird. Als Bildlich übertragendes
Beispiel :freaky: für den Laien
 

EchoeZ

Commander
Dabei seit
März 2009
Beiträge
2.980
@e-funktion:Ich meinte ja nicht die Konstantspannung, sondern das PWM Signal. MAg ja sein das dieses eigentlich PWM @100% duty cycle nix anderes ist, aber weisst Du das? Würdest Du probeweise einen normalen 12V Lüfter direkt ans PWM-Beinchen stecken? Oder denkst Du dir nicht auch eher dass es eine Steuerleitung ist, die eben nur zum steuern/regel und nicht für Leistungen gedacht ist?

@andreas: ist mir schon klar :schluck:
Ergänzung ()

Nilson hat meinen Gedankengang besser erklärt :D
 
Zuletzt bearbeitet:

e-Funktion

Commodore
Dabei seit
Feb. 2013
Beiträge
4.390
@EchoeZ - Beim 3-Pin ist das dritte die Drehzahl-Signalleitung also bleibt ja nix für ne Steuerleitung vom PWM ;-)
 
Zuletzt bearbeitet:

EchoeZ

Commander
Dabei seit
März 2009
Beiträge
2.980
@Echoez
Beim 3-Pin ist das dritte die Drehzahl-Signalleitung also bleibt ja nix für ne Steuerleitung vom PWM ;-)

Weiß ich selbst ;)
Mit der 3-pin Geschichte wollte ich auf den Abschnitt eingehen
Beim 3-Pin PWM Betrieb (der wohl sehr exotisch ist) kriegt der Lüfter direkt das modulierte Signal als Betriebsspannung zu fressen.
Der Lüfter wird mit hoher Frequenz die ganze Zeit An- und Ausgeschaltet. Je länger er angeschaltet (und kürzer ausgeschaltet) ist, desto schneller läuft er und umgekehrt (Tastgrad).

Wie ich schon sagte, ich kenne auch kein 3-pin PWM
 

F(r)og of War

Lieutenant
Ersteller dieses Themas
Dabei seit
Juli 2009
Beiträge
786
Ok, also bleibt es wohl wirklich beim: an, aus, an, aus...
Habe leider aktuell keinen Zugriff auf ein Oszilloskop, sonst würde ich mir den Spannungsverlauf am Lüfter-Motor anzeigen lassen können :D

Vorteile der zusätzlichen 4. Leitung bleiben dann also:
- Leistungs- und Steuerteile sind sowohl auf dem Mainboard als auch im Lüfter getrennt.
- Die Lüfterelektronik wird mit konstanten 12V gespeist.
- Es entsteht kein zusätzlicher Leistungsverlust durch Widerstände (kein Spannungsteiler o.ä.)


Bezüglich der 3-Pin PWM Lüfter:
Kann auch nur ein Fehler in der Beschreibung sein, aber diesen hier habe ich gefunden: http://www.amazon.de/dp/B000UMSVU4/...de=asn&creative=22506&creativeASIN=B000UMSVU4

Fraglich wie das z.B. bei meinem Motherboard geregelt ist:
Dort habe ich neben dem 4-Pin CPU Lüfteranschluss noch einen 3-Pin CPU Lüfteranschluss für einen zusätzlichen Lüfter. Dieser wird direkt über das Verhalten des 4-Pin CPU-Fans gesteuert.
(Habe beide Anschlüsse belegt)

Wenn die Lüfter beide aus sind und ich sie dann in Speedfan z.B. auf 10% stelle, zeigen beide exakt die gleichen Anlaufversuche: Alle paar Sekunden ein leichtes Zucken.
Ein anderer 3-Pin Lüfter zuckt beim gleichen Versuch nur einmal.

Ka, wie das genau geregelt wird, aber vielleicht läuft da schon mein 3-Pin CPU Lüfter mit einem PWM-Signal(?)


Edit:
Apropos mein 4-Pin CPU-Fan:
Auf meinem Mugen 2 habe ich noch den std Lüfter drauf: http://geizhals.de/scythe-slip-stream-120-pwm-sy1225sl12lm-p-a485319.html
Jetzt finde ich obiges Verhalten (10% Geschwindigkeit aus dem Stand = Zucken) aber etwas merkwürdig.

Gefunden habe ich 3 mögliche Betriebsmodi für PWM-Fans bei min RPM (ab Seite 14: http://www.formfactors.org/developer\specs\4_Wire_PWM_Spec.pdf):
  • Type A Operation, Minimum RPM, Stay on at Minimum RPM
  • Type B Operation, Stay On at Minimum RPM, Off at 0% RPM
  • Type C, Operation below Minimum RPM, Min, RPM = Starting RPM

Mal abgesehen davon, dass ich bei noch keinem Lüfter irgendwo den verwendeten Modus gefunden hätte, passt mein Lüfter irgendwie zu keinem der 3 Typen.
Gut, vielleicht ist der Lüfter einfach zu billig,
aber auch bei teureren Produkten finde ich keine Angabe über das Verhalten bei min RPM bzw. darunter.
Hätte nämlich eigentlich recht gerne einen Type C Fan für meine HDDs :freaky:
 
Zuletzt bearbeitet:

F(r)og of War

Lieutenant
Ersteller dieses Themas
Dabei seit
Juli 2009
Beiträge
786
Der Doppelpost sei mir verziehen.

Habe noch eine interessante Seite mit einigen möglichen Schaltungen für Gleichstrommotoren gefunden: http://www.mikrocontroller.net/articles/Motoransteuerung_mit_PWM
So lässt sich auch mit einer direkten PWM Ansteuerung ein wohl näherungsweise konstanter Strom am Motor umsetzen.
Scheint also doch eine insgesamt sehr elegante Lösung zu sein.


Außerdem habe ich den Support von Scythe bezüglich meines "Scythe Slip Stream 120 PWM" angeschrieben.
Der Lüfter arbeitet wirklich nach der Typ C Betriebsart (siehe meinen letzten Post).
Das leichte Zucken sind nur Startversuche und soweit eigentlich nicht schädlich.

Soweit ich im I-net gelesen habe sollen Typ C Lüfter sehr sehr selten vorkommen.
Von daher könnte die Info hier dem ein oder anderen vielleicht noch sehr nützlich sein ;)


edit: Korrektur! Der support von Scythe scheint selber nicht zu wissen, wie ihre Lüfter funktionieren.
Habe mir jetzt einen neuen Slip Stream 120 PWM gekauft und dieser arbeitet eindeutig nach Typ A
 
Zuletzt bearbeitet:

m_thur

Newbie
Dabei seit
Juli 2021
Beiträge
1
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
 
Top