Die absolute Wahrheit über PWM

[rmg_lazy_bone]

Liebe PCMasters, liebe PC-Lehrlinge,

nachdem ich gerade einige Forendiskussionen über PWM gelesen habe, das mir die Haare ausfallen, hier der ultimative ich-weiß-was-Fred, um möglichst alle Fragen zur Technik der PWM. Technische Aspekte sind z.T. populistisch umformuliert, vereinfacht und deshalb genau genommen falsch. Ich bitte dies zu entschuldigen, da ich keine Physiker, Elektriker (oder Elektroniker?) und Bessserwisser erreichen will. Die wissen das hier meist.

PWM bedeutet Pulse-Width-Modulation oder auf deutsch Pulsweitenmodulation.
Dabei wird über eine zusätzliche (vierte) Leitung ein rechteck-Signal gesendet, das man sich vorstellen kann wie einen Typ, der regelmäßig "1" und "0" ruft. Der Lüfter läuft bei 1 an und wird bei 0 ausgeschaltet (genau: bei den Flanken, also dem Wechel zwichen 1 und 0). Wie ein elektrischer Schalter (=Relais, hier Transistor).

Diese Lüfter werden nicht über die Spannung geregelt. Er dreht immer mit voller Spannung, wird aber andauernd an- und ausgeschaltet. Dabei schafft ers nicht auf die volle Geschwindigkeit, hält aber auch nicht ganz an.

Wie funktioniert es?

Die Regelung geschieht über die Länge der Signale.
Je länger es vom an- bis zum ausschalten dauert, desto schneller kann der Lüfter werden. Solange die Geschwindigkeit gleich bleiben soll, wird das Signal andauernd wiederholt - lange an, kurz aus und wieder von vorne - wenns schnell werden soll. Oder eben kurz an, dann länger aus, dann wieder an.

Je schneller die Signale aneinander gereiht werden (=Frequenz de PWM-Signals), desto gleichmäßiger ist die Geschwindigkeit.

Wofür sind die Leitungen?
3 Leitungen sind wie bei normalen Lüftern:
Spannung, Masse und Tacho.
Die 4. Leitung ist die PWM-Signal-Leitung.
Deshalb kann man PWM-Lüfter auch an 3-Pin-Anschlüssen verwenden.
Dann wird der Lüfter normal über die Spannung geregelt, wie alle anderen.
Dabei besteht keine Gefahr für Steuerung/Lüfter, allerdings gehen die Vorteile von PWM verloren.

Vorteil von PWM:
Der Hauptvorteil von PWM ist die Möglichkeit niedrigere Umdrehungsgeschwindigkeiten und damit Lautstärken zu realisieren.
Begründung: Lüfter benötigen eine sogenannte "Anlaufspannung". Diese liegt bei den meisten Lüftern im Bereich um 5V, weshalb nur wenige Lüftersteuerungen unter diese Spannung gehen.
Sind die Lüfter einmal angedreht, können sie auch unter die Anlaufspannung geregelt werden. Dies muss aber manuell oder über bestimmte Software geregelt werden. Einige Mainboards lassen alle Lüfter beim Bootvorgang kurz voll (12V) anlaufen. Damit entfällt das Problem.
Da PWM-Lüfter immer mit Maximalspannung (i.d.R. 12V) laufen, können sie theoretisch ab 1U/min geregelt werden. Die Untergrenze wird aber praktisch durch die Frequenz geregelt - je höher die Frequenz, desto niedriger die minimale Geschwindigkeit. Erklärung hierzu auf Nachfrage.
Metapher: Stellt euer Auto vor eueren 3-jährigen Sohn/Bruder/Hund ohne Handbremse und im Leerlauf - bewegt bekommt der Kleine es trotzdem nicht. Wenn Papa aber erstmal angeschoben hat, kann zumindest der große Bruder das Auto weiterschieben.
Das liegt beim Lüfter an einer Kombination aus magnetischen Kräften (Frage des Aufbaus eines E-Motors), Haftreibung und Selbstinduktion.

Nachteil von PWM:
-höhere Kosten:
Aufgrund der zusätzlichen Steuerelektronik entstehen höhere Fertigungskosten, die natürlich auf den Kunden umgelegt werden.
Die genauen Zusatzkosten sind mir nicht bekannt, liegen aber wahrscheinlich weit unter den Preisdifferenzen zwischen PWM und Nicht-PWM-Lüftern.
-Geringere Lebensspanne:
Der Lüfter wird mit PWM andauernd an- und ausgeschaltet, was ihm nicht unbedingt gut tut. Die Auswirkungen sind jedoch minimal und sinken mit steigender Steuerfrequenz (da der Lüfter beim wieder Anschalten ja noch dreht).
-eventuelle Störgeräusche
Die andauernden Signalwechsel, die an der PWM-Leitung anliegen, erzeugt Obertonfrequenzen, die möglicherweise hörbar sind. Hochwertige PWM-Steuerungen Regeln deshalb in einem Bereich, der jenseits des Hörbaren liegt (über 20kHz).
Der genaue Grund wird unten diskutiert, hängt aber laut Erfahrungswerten von der Lüftersteuerung ab und schwankt mitunter selbst in einer Lüfterserie von störend bis unhöbar.

Sämtliche Angaben sind technisch und praktisch bestätigt. Trotzdem übernehme ich keinerlei Verantwortung und kein Gewehr. oder Gewähr oder so. Serienstreuung, Ausnahmen und Ich-will-aber-nicht gibts immer.

LG
RMG

 

[der_eismann]

Schade, dass Physiker dabei ausgelassen wurden Aber danke für den Thread, denke der hilft einigen Normalsterblichen durchaus weiter^^ Zwei kleine Sachen:
- Es heißt Pulse-Width-Modulation (oder auf deutsch Pulsweitenmodulation)
- Bei PWM wird keine Wechselspannung, sondern Gleichspannung genutzt. Wechselspannung würde ja bedeuten, dass der Lüfter abwechselnd links und rechts herum läuft. Das fällt schon dadurch raus, dass es am Lüfter Spannung und Masse gibt. Und deswegen ruft der kleine Mensch auch "1" und "0", nicht "-1". Und deswegen ist auch die Erklärung der Oberschwingungen nicht ganz richtig. Oder lieg ich falsch?

Ansonsten trotzdem danke!

 

[rmg_lazy_bone]

Hey Eismann,

vollkommen richtig was du sagt, Gleichspannung anstatt Wechselspannung. Eindeutiger Denkfehler von mir, da dachte ich wohl, die Signalleitung wär Wechselspannung (wär ja schon aufgrund der Versorgung durchs NT umständlich).
Ebenso wie Rechtschreibfehler korrigiert und deutsche Übersetzung eingefügt.

Eine diskussion mit Physikern fänd ich interessant. Allerdings in Schriftform sehr aufwendig. Und da würde ich wahrschinlich auch mehr lernen als diskutieren^^

Edit: Mit den Obertönen bin ich mir ziemlich sicher. Die genaue Erklärung hierfür ist mir nicht bekannt, ich geh einfach mal von Auswirkungen des EM-Felds auf umliegende Teilchen aus --> Schallwellen.
Grundsätzlich dürfte der Unterschied in der Obertonbildung zwischen Wechselstrom und pulsierendem Gleichstrom ja eher gering sein (siehe Brummspannung). Allerdings endet hier mein physikalisches Hintergrundwissen

LG
RMG

 

[QuixX]

Na eine gepulste Gleichspannung ist eine Wechselspannung.

Genau nach Fourier:

0,5U @0Hz +~0,7U@Tastfrequenz + ~0,7/3U @3xTastfreq + .....

Wird das Tastverhältniss verschoben, verändern sich die Fourier-Koeffizienten.

 

[rmg_lazy_bone]

Ja. Wie gesagt: das übersteigt mein physikalisches Wissen.
Meines wissens ist eine gepulste Gleichsspannung das, was hinter einer Diode im Wechselstromkreis rauskommt und einem PWM-Signal ähnelt (bis auf die Flankensteilheit).

Demnach beinhaltet eine gepulste Gleichspannung Spannungsschwankungen >0V, während Wechselspannung Schwankungen von Umax bis -Umax beinhaltet.

LG
RMG

 

[QuixX]

Naja, so genau musst Du es auch nicht verstehen, ein Rechtecksignal aus einer ein und ausgeschalteten Gleichspannung ist Wechselstrom mit Gleichstromanteil. Stell Dir vor, Du hängst einen Lautsprecher hin. Dann hörst Du etwas, da ja Töne immer Wechselspannung, Schwingung sind. Wegen des Gleichanteils schmort dann der Lautsprecher durch.

 

[rmg_lazy_bone]

Unschöne Vorstellung... trotzdem lustig

Aber ist ja für PWM unwichtig, wies nun heist. Es ging darum, die Grundlegenden Fragen (was ist es, wie funktionierts, wofür sind die 4Pins, gehts auch mit 3Pin, Vorteile, Nachteile) zu beantworten.
Wem also noch mehr dazu einfällt kanns gerne sagen, dann nehme ich das auf.

Falls es zu diskussionen kommen sollte, würde ich dafür einen extra Thread empfehlen, weils sonst verwirrend wird.

LG
RMG

 

[Simlog]

Diese Lüfter werden nicht über die Spannung geregelt. Er dreht immer mit voller Spannung, wird aber andauernd an- und ausgeschaltet. Dabei schafft ers nicht auf die volle Geschwindigkeit, hält aber auch nicht ganz an.


Vorteil von PWM:
Der Hauptvorteil von PWM ist die Möglichkeit niedrigere Umdrehungsgeschwindigkeiten und [damit] Lautstärken zu realisieren.

Nachteil von PWM:
-Höhere Lautstärke
Die andauernden Signalwechsel, die an der PWM-Leitung anliegen, erzeugt Obertonfrequenzen, die hörbar sind. Hochwertige PWM-Steuerungen Regeln deshalb in einem Bereich, der jenseits des Hörbaren liegt (über 20kHz).
Das Summen/Fiepen hängt also an der Steuerung, nicht dem Lüfter selbst. Die Lüfter an sich sind genauso laut wie ihre nicht-PWM-Brüder.

Sämtliche Angaben sind technisch und praktisch bestätigt. Trotzdem übernehme ich

Mal abgesehen davon, dass du dich etwas verschrieben hast (rot von mir markiert), ergibt das doch nicht so richtig Sinn ? Oder sehe ich das falsch ?

Die PWM Technik soll niedrigere Lautstärken erzielen, lässt aber auf der anderen Seite den Lüfter Spulenfieben bekommen ??

 

[ClisClis]

Das Fiepen hat man aber nur dann, wenn die Teile bei falscher Frequenz ein und ausschalten. Wenn man also einen hochwertigen Lüfter hat, der bei für uns nicht hörbaren Frequenzen schaltet, ist der leise, da nur langsam drehend. Sonst kann der lauter sein als ein nicht PWM.
So habe ich dies zumindest obenstehendem Text entnommen.

 

[rmg_lazy_bone]

Wie aus der Diskussion mit Eismann /Quixx hervorgeht, sind die Gründe für das "Fiepen" nicht wirklich bekannt.

Die geringere Lautstärke bezieht sich hier auf die Lagergeräusche der Lüfter, die meist proportional zur Umdrehungsgeschwindigkeit sind, ebenso wie die Luftzuggeräusche.

Der Vorteil liegt also im Erreichen niedrigerer Umdrehungszahlen. Daraus resultiert die Möglichkeit, geringere Lautstärken zu realisieren. Einher mit PWM geht auch eine sehr genaue Steuerung der Drehzahl, da diese bei nicht-PWM-Lüftern meist nicht linear mit der Spannung ansteigt (eine Frage der Qualität).

Der Grund für die Störgeräusche liegt nicht im Prinzip von PWM, sondern an mangelhafter Fertigungsqualität / ungünstigen PWM-Frequenzen / ungenügender Abschirmung.

Das ist aber ungünstig formuliert, das ändere ich gleich.

Edit: Ich finde den Rechtschreibfehler nicht. Wenn du meinst, ich sollte damit weglassen, so würde das zu einem logischen Fehler führen, da geringe Geschwindigkeiten geringe Lautstärken bedeuten --> Geschwindigkeit und damit (oder dadurch) Lautstärke.

LG
RMG

 

[QuixX]

Wie aus der Diskussion mit Eismann /Quixx hervorgeht, sind die Gründe für das "Fiepen" nicht wirklich bekannt.

Eine Tastfrequenz <18000kHz (je nach Alter) wird fiepsen, da wette ich gerne.

Aber mit modernen Schaltern kann man höher takten. Und nach der Fouriersynthese für Rechteckspannung fiept da nichts unterhalb der Tast-Frequenz, somit bleibt es unhörbar.

 

[rmg_lazy_bone]

Hey QuixX,

das deckt sich jetzt ungefähr mit Beiträgen in anderen Foren und dem, was ich geschrieben habe: Das Fiepen ist abhängig von der Schaltfrequenz. Ich schrieb 20kHz, du 18kHz, das ist dann sone Sache.

Eine Frage: Laut anderen Foren ist das Fiepen abhängig von der Lüftersteuerung. Heist dass, die Lüfter können (zumindest in gewissem Maße) mit unterschiedlichen Frequenzen betrieben werden?

Ich kenn mich wie gesagt in der Elektronik dafür nicht ausreichend aus aber wenn der Lüfter auf Flanken reagiert, zählt doch nur das Verhältnis der An/Aus Zeiten, nicht die tatsächliche Frequenz (solange die "Periodendauer" unter der Reaktionszeit des Schalters liegt)?!

LG
RMG

 

[QuixX]

In gewisser Weise schon, aber die Komponenten des Lüfters funktionieren nur bis zu einer gewissen Frequenz, vergleichbar mit einem Lautsprecher. Mit einer zu hohen Frequenz kann man einspeisen wie man will, man erzeugt nur noch Wärme.

Es ist auch nicht ganz ohne, hohe Taktraten mit Energie bereit zu stellen. Dennoch sollten die Hersteller Frequenzen über 20kHz anpeilen. Dann sind nur noch Hunde und Katzen genervt. Fledermäuse...

 

[rmg_lazy_bone]

Genau, das meinte ich mit "Reaktionszeit des Schalters".

Das entspricht ja (erfreulicher weise) dem, was ich eingans beschrieb.
Danke für die Bestätigung, Erklärung und Herleitung.

LG
RMG