¿Puede el PWM afectar a un ventilador de corriente continua sin escobillas con el tiempo suficiente?

Question

tl;dr - ¿El accionamiento de los ventiladores de CC sin escobillas mediante PWM no es saludable para el ventilador en comparación con la tensión de CC variable pero constante? En caso afirmativo, ¿por qué y cómo?

El súper sencillo input [PWM] -> MOSFET driver [PWM] -> DC Fan para ajustar la velocidad de los ventiladores de corriente continua es bien conocida. El ventilador de CC recibe un PWM de la misma frecuencia que la entrada, con suficiente jugo del MOSFET a mayor voltaje. Ignorando todo lo demás, supongamos que el ventilador recibe una señal PWM de alta corriente que oscila entre 0-12V con algún ciclo de trabajo para variar la velocidad del ventilador, y que los niveles de 0-12V son limpiar (sin picos, etc.).

Digamos que tengo un montón de ventiladores de 0,5A, 12V de corriente continua sin escobillas. Estos son no Ventiladores PWM (es decir, sólo tienen 2 cables). Ahora los acciono utilizando el circuito PWM anterior para variar su velocidad. Supongamos que la frecuencia PWM es de unos 25 kHz, y que el MOSFET puede conmutar fácilmente a esa frecuencia.

He leído que el ajuste de la velocidad de los ventiladores de CC utilizando una tensión variable de nivel de CC es "más saludable" para el ventilador que el uso de PWM como el anterior, pero no dio detalles.

Para los expertos:

¿Existen peligros en el accionamiento de ventiladores de corriente continua como los anteriores utilizando PWM (pulsos) en lugar de niveles de tensión constantes? Si es así, ¿cuáles son exactamente y cómo se manifiestan? ¿Qué importancia tiene la frecuencia PWM para el ventilador (suponiendo que el MOSFET sea rápido)?

p.d. Puedo construir un circuito de PWM a DC (por ejemplo, seguidor de fuente, etc.) pero aquí estoy interesado en entender los peligros de manejar ventiladores de DC con PWM.

p.p.s. Mi experiencia personal (edición: excelente explicación de Tony EE a continuación)

Estoy bastante seguro de que el PWM puede afectarlos (aunque aquí estoy haciendo una pregunta general). He escuchado chasquidos provenientes de todos mis ventiladores DC cuando los manejo con PWM, particularmente en ciclos de trabajo bajos. Más importante, después de un poco menos de 1 año de funcionamiento continuo en varios ciclos de trabajo (50% es el más frecuente), algunos de los ventiladores ya no responden a PWM de bajo ciclo de trabajo. Específicamente, siguen girando al 100% de velocidad cuando el ciclo de trabajo es del 100% (prácticamente 12V constantes) pero cualquier ciclo de trabajo más bajo hace que el ventilador gire a una velocidad muy lenta, independientemente del valor real del ciclo de trabajo - como si el ventilador tuviera 2 velocidades solamente: completa y muy baja. Todos estos ventiladores respondían bien al PWM antes. Siguen girando libremente cuando se les empuja con la mano, no siento ninguna resistencia extra en comparación con los otros ventiladores (así que no es el rotor).

Answer 1

Todos los motores de corriente continua son en realidad motores de corriente alterna con algún tipo de conmutación desde la corriente continua con alguna resistencia de la bobina de corriente continua, DCR.

El BLDC toma la corriente de excitación de la resistencia de la bobina. (I=V+/DCR). A medida que la tensión media aumenta y supera la adherencia, comienza a girar y la impedancia de la bobina conmutada se añade ahora a la DCR.

SIN EMBARGO, el ventilador necesita un condensador de filtro interno para reducir la ondulación de la tensión de entrada y salida, causada por la conmutación de la corriente en los polos.

• Si pulsas ese condensador, con un no PWM ventilador controlado, puede estar pulsando ese condensador con más corriente de ondulación que el ventilador, y puede fallar prematuramente de acuerdo con Irms y su clasificación, o causar extraños ruidos de aliasing.
• Sin embargo, está imponiendo un nuevo espectro de interferencia de corriente a la conmutación para el motor y la retroalimentación térmica para regular los ventiladores pueden tener ruido de bobinado de aliasing audible, de estos ventiladores silenciosos ideales.

Conclusión: : Utiliza el ventilador adecuado o diseña un regulador DC-DC para controlarlo, que garantice que no se cale por baja tensión de arranque estableciendo umbrales de tensión y rango de control de temperatura.

Experiencia anecdótica desde principios de los 80 hasta ahora

• Los ventiladores generan corrientes acústicas de Foucault por la turbulencia de las aspas cerca de una rejilla fija. La solución a esto es hacer que el ventilador esté en línea con un plenum. El truco de diseño consiste en hacerlo lo más corto posible para eliminar todo el calor del exterior y no añadir mucho ruido.

• En el caso de la refrigeración por aire forzado del SMPS, es esta misma velocidad turbulenta de las corrientes de Foucault la que reduce la resistencia térmica de los transformadores de ferrita y los transistores de potencia refrigerados por aire.

  • Por lo tanto, hay que maximizar la velocidad del aire sobre los puntos calientes, con un plenum o una cubierta plegada en lugar de un simple ventilador montado en un panel que empuja o tira de un determinado volumen de aire.
  • El secreto es que el aire sólo sopla sobre la parte superior de los puntos calientes por lo que el acoplamiento térmico es ineficaz o débil, en lugar de aire turbulento sobre la pieza a 1 a 3 m/s. En mi caso el diseño redujo los puntos calientes a plena carga en un espacio restringido de 70 °C a 10 °C de aumento de temperatura. Verifiqué mi diseño con humo de cigarrillo, termopares y plenos plegados de mylar. (Esto también me ayudó a sobrevivir a las "pruebas de derrame de coque y martillo" de seguridad de UL a mi diseño de rack 1U de 19").
  • El motor detecta la posición de rotación mediante un sensor de polos de efecto Hall de precisión que conmuta el puente FET.
  • Todos los componentes electrolíticos (baterías incluidas) tienen una capacitancia que se degrada debido a una reacción química acelerada por la corriente y el calor que afecta a la velocidad de envejecimiento.
  • Esto se define por Ley de Arrhenius lo que supone aproximadamente un -50% de MTBF por cada 10 °C de aumento sobre la temperatura ambiente.

• La impedancia de la bobina aumenta por encima de la velocidad de parada, por lo que la corriente aumenta ahora mucho más lentamente debido a la carga del viento.

• La velocidad de calado podría estar en torno al 25% de arranque y al 15% de parada, de modo que si se cala sin refrigeración la bobina calienta el imán y eso podría degradar el imán con el tiempo si está por encima de su capacidad.

• En los años 80, Toshiba y Fujitsu utilizaban algunos ventiladores de mufla de alta potencia que tenían un termistor que se calentaba por la potencia aplicada y se enfriaba por la velocidad del aire del ventilador para detectar un fallo del ventilador y crear una alerta de parada.

• El ventilador no sólo refrigera al huésped, sino también las partes internas, excepto cuando está parado. Para los pequeños ventiladores bien diseñados, no hay problema, pero si las bobinas calientan los imanes de tierras raras pueden producirse fallos inusuales (puntos muertos en el arranque del ventilador, etc.). Esto suele ocurrir sólo en una de las cuatro posiciones de reposo.

• Por esta razón, durante los últimos 35 años, en cualquier producción de gran volumen de sistemas en la que he participado, se realizaba una prueba de entrada de arranque y parada automatizada, en la que se comprobaba este fallo. El diseño/proceso es un compromiso crítico entre la eficiencia cerca del neutro magnético y la compensación para que el circuito sepa en qué dirección empezar a conmutar. Este estrecho margen existe en todos los motores PM BLDC. Cuando el ventilador no está muerto, sólo vacila de un lado a otro, o está inmóvil hasta que se le da un empujón.

  • Incluso el famoso Los ventiladores de la marca japonesa Nidec tenían ocasionalmente el 1% de los 100 ventiladores con puntos muertos, por lo que la retroalimentación correctiva al OEM eliminó su problema obligándoles a arreglarlo.

• También le di a nuestro distribuidor mi diseño para una plantilla de prueba simple que hacía esto, Inicio <= 0,1 s parada <1 s repetir durante 100 ciclos, 100 ventiladores en paralelo.

  • Luego tuvimos rendimientos perfectos, sin fallos, en tres envíos seguidos, así que suspendí esas pruebas de entrada. Problema resuelto.

• A menudo, estos problemas se producen cuando la fábrica se traslada o se produce algún otro cambio de proceso menor.

p.p.s. respuesta

Probablemente voló la tapa electrolítica interna del PWM externo resultando en un cambio abrupto en la impedancia de la fuente con el PWM que ahora va abierto/cerrado en paralelo con la carga del ventilador incluyendo un condensador con ESR, para dar una baja impedancia de la fuente al puente. Sospeché que el condensador ESR debería estar desgastado con una ESR mucho más alta y un C más bajo, por lo que el ventilador tiene un error de regulación de carga alto debido a una impedancia de fuente mucho más alta. Esto explica sus dramáticas pérdidas por debajo del 100% de PWM desde la velocidad máxima hasta la velocidad lenta.

La ESR del condensador debe ser <<10% de la DCR de la bobina para una buena regulación de las RPM del control de la tensión o mejor, así que utilice el ventilador adecuado o un diseño lineal. Una solución barata puede ser añadir una R en serie para transferir las pérdidas del condensador a la serie o RL para mejorar la velocidad máxima con un Q bajo para una solución de campo. O hazlo bien la primera vez y escucha la sabiduría de la experiencia.

Answer 2

Los ventiladores de tipo ordenador de corriente continua NO SON ventiladores accionados por motores de corriente continua, son motores BLDC, y contienen universalmente una MCU o un controlador lógico para arrancar y hacer funcionar el ventilador. No se recomienda hacer funcionar estos ventiladores con un suministro PWM, y podría dañar los componentes de algunos controladores con el tiempo.
Este La pregunta cubría los tipos de controlador y puede ayudar a su comprensión.

El clic que ocasionalmente escuchas de tu ventilador es, con toda probabilidad, el controlador tratando de hacer la lógica de arranque (en otras palabras, pensó que el poder había sido ciclado). Estos ventiladores de tipo ordenador son bifásicos y el controlador tiene que asegurarse de que arrancarán en una sola dirección, por lo que tienen una lógica de bloqueo/desconexión. Con un ventilador de 2 hilos es casi imposible detectar si el ventilador se ha parado, por lo que su uso es muy problemático.

Dependiendo de lo avanzado que esté el controlador, es muy posible que con el tiempo se dañe uno de los condensadores de la alimentación del circuito y esto podría ser lo que estás viendo que ocurre.

La mayoría de las placas base (y entiendo que puede que no estés usando los ventiladores en un ordenador) que hacen PWM a los ventiladores (típicamente de 3 hilos) son semi inteligentes también, empiezan aplicando 12V y luego retroceden a un voltaje más bajo para ralentizar el ventilador. Dado que reciben una señal de rotación (3 hilos) pueden percibir cuando el ventilador se ralentiza y aumentar el voltaje. Esta era la metodología de conducción común en los antiguos ordenadores de servidor, pero los fallos del ventilador eran bastante comunes.

Dado que el diferencial de coste es bajo, merece la pena pasar a ventiladores de 4 hilos en los que la señal PWM va realmente a una MCU, y ésta se encarga de controlar la velocidad del ventilador. Los controladores para ventiladores de 4 hilos son muy comunes.

Si tienes que controlar el voltaje de CC, entonces te sugiero que no uses PWM, y que seas consciente de que el rango de control es no lineal, y restringido. La mayoría de los ventiladores muestran un control de DC limitado a unos 5V DC en un ventilador de 12V. También puedes leer este pregunta que cubría el PWM de un ventilador para uso no informático.

Answer 3

Uno de los problemas que me hace poner los ojos en blanco son las altas frecuencias PWM mencionadas anteriormente. Ayer y hoy he experimentado con el PWM de un par de pequeños ventiladores BLDC de 2 hilos de 12V. Estoy usando 10 Hz (Mi oído no escucha mucho efecto en el ruido del ventilador de las frecuencias alrededor de esto). A frecuencias más bajas, la aceleración/desaceleración del ventilador se hace más evidente. A 1 KHz, por ejemplo, se puede oír la frecuencia del ventilador. El ventilador definitivamente no parece responder bien a las frecuencias > 10KHz o así y no le veo sentido. Tengo un diodo antiparalelo con el ventilador. Ahora mismo tengo un slew rate de voltaje limitado a unos 200 uSec para el borde de ataque del pulso de 0 a 12V. Usando un MOSFET Nch con fuente conectada a tierra (a través de una resistencia de detección de corriente de 1 ohmio para propósitos de prueba) y el ventilador conectado entre el drenaje del MOSFET y +12. Conduciendo la puerta del MOSFET con un generador de funciones a través de una resistencia de 1K. Conecté (condensador de 100nF en serie con 33 ohmios) de la puerta-drenaje en el MOSFET. Junto con la resistencia de puerta de 1K ohmios, el 100 nF hace que el FET funcione como un integrador para controlar la velocidad de giro. Los 33 ohmios eliminan algunas oscilaciones de alta frecuencia que tenía sin ellos.

Replicar esta operación con un amplificador operacional o un comparador debería ser sencillo, y la velocidad de giro controlada debería limitar la corriente de pico y evitar prácticamente el daño a cualquier cosa.....