Raspberry Pi 4: Sterowanie wentylatorem SUNON 5V 0.82W 164mA przez PWM - kondensator i tranzystor

Witam,
Posiadam Rasberry Pi 4 i chcę za pomocą sygnału PWM sterować wentylatorem. Układ nie jest trudny do wykonania, ale głównie występują dwa schematy. Jedne układy nie mają zastosowanego kondensatora między rezystorem i bazą tranzystora, a inne układy posiadają kondensator.



1. Czy zastosowanie zaznaczonego na schemacie kondensatora jest konieczne? Jaki wpływ ma zastosowany kondensator na pracę tego układu?
2. Czy sam pojedynczy tranzystor jest wystarczający, czy lepiej byłoby użyć układ darlingtona?

Wentylator według specyfikacji producenta SUNON posiada parametry: 5V; 0.82W; 164 mA

1. Wręcz przeciwnie, jest tam zbędny.
2. Kwestia prądu pobieranego z RPi i wzmocnienia, oraz przejścia tranzystora w stan nasycenia. Trzeba policzyć.

moze-byc napisał:

2. Kwestia prądu pobieranego z RPi i wzmocnienia, oraz przejścia tranzystora w stan nasycenia. Trzeba policzyć.

Jeśli chodzi o tranzystor to zastosuję BC337-40 NPN; 0.8 A .
Jak obliczyć stan nasycenia? Jakiś wzór?


W niektórych schematach równolegle do diody jest stosowany jeszcze kondensator. Czy jego zastosowanie ma pozytywny wpływ na pracę tego układu?

Czy rezystor 1kOhm między pinem PWM, a bazą tranzystora będzie wystarczający?

autominus napisał:

Jak obliczyć stan nasycenia? Jakiś wzór?

W DS jest wartość βsat.

Dodano po 3 [minuty]:

autominus napisał:

czy lepiej byłoby użyć układ darlingtona?

A może w ogóle mosfet - o niskim napięciu bramki rzecz jasna, żeby mógł go wysterować prawidłowo Twój RPi.

Na wykresie masz zachowanie tego tranzystora w rejonie nasycenia. Z wykresu wynika, że dla prądu bazy ok. 2.5mA i prądu kolektora ~150mA napięcie kolektor-emiter wyniesie nie więcej niż 0.2V - dobry wynik.
Jeśli dodasz kondensator równolegle do diody, to sterowanie PWM (włącz - wyłącz) zamieni się w sterowanie proporcjonalne. To znaczy, że kondensator uśredni napięcie na wentylatorze, a tranzystor nie będzie wchodził w nasycenie.

Dodano po 1 [minuty]:

Z wykresów wynika, że rezystor 1k dla tego tranzystora wystarczy.

Dodano po 13 [minuty]:

I jeszcze jedno - w wersji z kondensatorem, powinieneś ograniczać maksymalny prąd kolektora - rezystorem. Bez tego rezystora wersja układu z kondensatorem grozi uszkodzeniem tranzystora.

Kondensator z postu #1 wraz z rezystorem to bezmyślna próba przerobienia PWM na DC, żeby to działało rezystor bazowy powinien być policzony tak aby tranzystor był na progu nasycenia. Ogólnie jest to kiepski pomysł bo tranzystor w tym układzie pracował by jako źródło prądowe, silnik miał by trudności z wystartowaniem przy takim zasilaniu

Lepiej żeby tego kondensatora nie było a tranzystor pracował w nasyceniu, jak piszą koledzy powyżej, wtedy silnik dostanie przebieg PWM, niektóre siniki mogą źle działać z takim zasilaniem, wtedy trzeba przetworzyć PWM na DC ale to się robi filtrem LC za tranzystorem.

jarek_lnx napisał:

Lepiej żeby tego kondensatora nie było a tranzystor pracował w nasyceniu, jak piszą koledzy powyżej, wtedy silnik dostanie przebieg PWM, niektóre siniki mogą źle działać z takim zasilaniem, wtedy trzeba przetworzyć PWM na DC ale to się robi filtrem LC za tranzystorem.

Pomysł z filtrem LC uważam za dobry. Czy dobrze zmodyfikowałem schemat?

Jakie wartość L1 i C1 zastosować, żeby układ dobrze działał?

autominus napisał:

Pomysł z filtrem LC uważam za dobry. Czy dobrze zmodyfikowałem schemat?

Dobrze, choć warto by przenieść cewkę bliżej kolektora (pomiędzy anodą D1 a C1) żeby zmniejszyć zakłócenia które układ może generować.

Wartości LC dobiera się do częstotliwości PWM i prądu wentylatora. Im większa częstotliwość tym mniejsze elementy LC.

Moim zdaniem wszelkie LC w tym miejscu są zbędne. Jeżeli zasilanie tego wentylatora będzie musiało być na tyle stabilne ze wentylator mógłby je zakłócić, dałbym filtr między zasilaniem a wentylatorem, a nie tak.

moze-byc napisał:

Moim zdaniem wszelkie LC w tym miejscu są zbędne. Jeżeli zasilanie tego wentylatora będzie musiało być na tyle stabilne ze wentylator mógłby je zakłócić, dałbym filtr między zasilaniem a wentylatorem, a nie tak.

Tu nie chodziło o zakłócenie zasilacza, ale o zakłócenie elektronicznego komutatora w silniku BLDC.

Da sobie radę. W ilu sprzętach wentylatory tak pracują i nic im nie jest. Poza tym same mając wejście PWM które działa identycznie.

moze-byc napisał:

Da sobie radę. W ilu sprzętach wentylatory tak pracują i nic im nie jest. Poza tym same mając wejście PWM które działa identycznie.

Mi się nie zdarzyło, ale jest na tyle dużo doniesień o silnikach BLDC które źle współpracują z PWM, że nie twierdziłbym że problemu nie ma.

Oczywiście warto zacząć bez po co komplikować coś co działa jeśli działa, jeśli będą problemy dodać elementy L,D,C

Istnieje szansa, że układa LC jest wbudowany w sam silnik wentylatora.

jarek_lnx napisał:

Dobrze, choć warto by przenieść cewkę bliżej kolektora (pomiędzy anodą D1 a C1) żeby zmniejszyć zakłócenia które układ może generować.

Czy taki schemat miałeś na myśli:


Postarałem się wykonać obliczenia układu pomimo, że nie jestem elektronikiem - byłbym bardzo wdzięczny za ich sprawdzenie:
Opór wewnętrzny wentylatora:
Rw = U/I
Rw = 5 [V]/0.156 [A] = 32.05 [Ohm]

Skorzystałem z opisu filtrów LC z pliku Texas Instruments:
https://www.ti.com/lit/an/slaa701a/slaa701a.pdf

Częstotliwość PWM = F = 10934 Hz
Opór wentylatora = Rw = 32.05 [Ohm]
w = 2*pi*F

L = (Rw/2 * pierwiastek(2))/w = 22,66/68665,52 = 0.00033 = 330 [uH]
C = (1 / (w*Rw/2*pierwiastek(2)) ) = 1/1556150,8 = 0.0000006 = 600 [nF]

Łącząc kondensatory równolegle:
C1 = 47 [nF] + 220 [nF] + 330 [nF] = 597 [nF]

Zbliżoną wartość obliczonego kondensatora mogę jedynie osiągnąć poprzez równoległe połączenie trzech kondensatorów.

jarek_lnx napisał:

Mi się nie zdarzyło, ale jest na tyle dużo doniesień o silnikach BLDC które źle współpracują z PWM, że nie twierdziłbym że problemu nie ma.

To jest wentylator oparty na łożysku magnetycznym Vapo. Zauważyłem, że przy dużej częstotliwości PWM dobiega z niego buczenie podczas pracy - do testu wykorzystałem najprostszy wariant układu (dioda, tranzystor i opornik).

autominus napisał:

Czy taki schemat miałeś na myśli:

Tak

Policzyłeś filtr o częstotliwości granicznej 10kHz czyli filtr który częstotliwości 10kHz nie tłumi a nawet może wzmacniać.

Teraz zwiększ częstotliwość do 100kHz albo podnieś indukcyjność i pojemność dziesięciokrotnie, wtedy filtr będzie tłumić 40dB.

Możesz też zostawić indukcyjność jak jest i zwiększyć pojemność 100x

Wartości pojemności i indukcyjności w takim filtrze nie muszą być dokładne to filtr dolnoprzepustowy, zaokrąglaj w górę, nie mnóż elementów jeśli nie ma takiej potrzeby 1uF to wystarczające przybliżenie 600nF
Poza tym 1/1556150,8=6.426e-7≈643nF nie ma sensu używać kalkulatora który ogranicza dokładność bo nie potrafi wyświetlić notacji wykładniczej, użyj google'a jako kalkulatora.

autominus napisał:

To jest wentylator oparty na łożysku magnetycznym Vapo. Zauważyłem, że przy dużej częstotliwości PWM dobiega z niego buczenie podczas pracy - do testu wykorzystałem najprostszy wariant układu

Buczenie to nie jest 10kHz tylko kilkadziesiąt, różne częstotliwości mogą mieć różny wpływ na pracę silnika, buczenie/piszczenie to jest coś czego się można spodziewać, problemy wymagające zmiany układu to nieprawidłowa praca silnika, albo trudności w regulacji.

Niskie częstotliwości PWM wymagają bardzo niskich częstotliwości granicznych filtrów a więc dużych L i C - tego zazwyczaj chcemy uniknąć, dlatego PWM pracujące z filtrami mają kilkadziesiąt kHz lub więcej.

Przepraszam, że tak długo nie odpowiadałem, ale byłem bardzo zajęty.

jarek_lnx napisał:

Możesz też zostawić indukcyjność jak jest i zwiększyć pojemność 100x

Indukcyjność będę raczej zmuszony pozostawić o tej wartości, bo w sklepie cewki o większej indukcyjności były tylko na wartość prądu poniżej 0.3A.
Czy ta cewka o wartości 330uH 0.41A będzie wystarczająca? Na większe natężenie prądu jest dostępna tylko 100uH 0.71A.

Rozumiem, że częstotliwość PWM mam zwiększyć do 100kHz? - zakładając, że indukcyjność cewki pozostawiam na 330uH i zwiększę wartość kondensatora x100

Jak zwiększysz częstotliwość do 100kHz to wystarczy.

atom1477 napisał:

100kHz to już sporo, i może być potrzebne zastosowanie układu przyspieszającego przy bazie tranzystora.

To jaką bezpieczną częstotliwość byś zaproponował dla PWM - sygnał ten będzie generował Raspberry Pi 4.

1. Względem zaproponowanej częstotliwości i założeniu, że cewka będzie o parametrach 330uH 0.41A, to w tym przypadku o jakiej pojemności zastosować kondensator?
2. Czy cewka 330uH o znamionowym natężeniu prądu 0.41A wystarczy? - czy lepiej zastosować cewkę niestety o niższej indukcyjności 100uH, ale o znamionowym natężeniu prądu 0.71A ?

jarek_lnx napisał:

Policzyłeś filtr o częstotliwości granicznej 10kHz czyli filtr który częstotliwości 10kHz nie tłumi a nawet może wzmacniać.

Powiedzmy, że przyjmę dla PWM częstotliwość 20kHz. To na jaką częstotliwość obliczyć filtr LC?

To zależy jak bardzo chcesz stłumić tętnienia PWM
Poniżej przykładowo charakterystyka filtru LC na 5KHz z różnym tłumieniem, przy 5kHz jest rezonans.

W rezonansie podbicie może być większe lub mniejsze zależnie od strat w obwodzie, w tym miejscu filtr nie tłumi, a może nawet wzmacniać, przy 10kHz (oktawę wyżej) mamy już 10dB (3x) czyli filtr zaczyna tłumić, przy 20kHz 24dB (16x) już jest akceptowalnie 12V/16=0,75V czyli z 12Vpp zrobi się poniżej 1Vpp - to bardzo prymitywny i niedokładny sposób oszacowania tłumienia przebiegu prostokątnego (wielbiciele teorii obwodów i dokładności do 4 miejsca po przecinku mnie zabiją) jednak tutaj wystarczający.
Symulacja pokazuje tętnienia 0,9Vpp


Ja bym pewnie stłumił bardziej czyli dał niższą częstotliwość graniczną, ale z tętnieniami 0,9Vpp wentylator powinien pracować normalnie.

Mam pytanie dotyczące diody.
Czy wystarczy zastosować diodę impulsową 1N4148 100mA/100V, czy lepiej zastosować diodę szybką BA159 1A/1000V?

Dał bym diodę na 1A, skoro prąd wentylatora przekracza 100mA

Ja myślę, że można byłoby użyć diody Schottky'ego.