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风扇

风扇是一个带叶轮可以移动空气的电机。在 3D 打印机周围的设备中，你需要它不仅"吹一下"，而是将空气推过正确的区域：加热器、线轴、过滤器、散热器、腔室或电子产品区间。

相同尺寸的风扇工作方式可能非常不同。一个在开放空间推动气流良好，另一个在过滤器或风道中推动气流更好，第三个较安静但在阻力下较弱。

用途

在 iDryer 等项目中，风扇用于：

  • 干燥机内的空气循环；
  • 从加热器向腔室传递热；
  • 排出打印机腔室中的空气；
  • 通过 HEPA/碳过滤器过滤；
  • 冷却电子产品；
  • 冷却散热器；
  • 机箱内温度平衡。

对于腔室加热，风扇特别重要。加热器释放热，气流从元件移除该热并进一步携带它。没有适当的气流，加热器可能局部过热，而腔室加热不足。

气流和静压

在风扇的技术描述中，你通常看到两个重要参数：

  • 气流 - 通常以 CFM 或 m3/h 为单位；
  • 静压 - 通常以 mmH2O、Pa 或 inch H2O 为单位。

气流显示风扇在阻力小的理想条件下可以泵送多少空气。

静压显示风扇可以多好地通过阻力推动空气：过滤器、格栅、散热器、狭窄风道或长空气管。

实用规则：

  • 对于开放循环，气流更重要；
  • 对于过滤器、散热器、密集格栅和风道，静压更重要；
  • 对于真实的机箱，工作点重要，不仅仅是规格中的最大数字。

如果在密集过滤器上放置安静的机箱风扇，即使在开放空间中气流似乎很强，它可能几乎无法推动空气。

轴流风扇和离心风扇

轴流风扇沿旋转轴推动空气。这些是典型的方形风扇 40x40、60x60、80x80、120x120 mm。

离心风扇从侧面吸入空气并通过狭窄出口吹出。它通常对风道、喷嘴、过滤器和需要压力的地方工作更好。

对于腔室内的自由循环，轴流风扇通常方便。对于紧凑的风道、过滤器或定向流，离心风扇有时更好。

2 针、3 针和 4 针

风扇通常在线数上有所不同。

计算机风扇上的 3 针连接器

来源: Wikimedia Commons, Dsimic, CC BY-SA 4.0

2 针：

  • +V；
  • GND。

这样的风扇只是获得电源。如果板和风扇支持，你可以通过改变供电电压或电源线上的 PWM 来控制速度。

3 针：

  • +V；
  • GND；
  • 转速信号（tach/sense）。

第三根线通常输出速度信号。它本身不控制速度。

4 针 PWM：

  • GND；
  • +V；
  • 转速信号（tach/sense）；
  • PWM 控制信号。

在 4 针 PWM 风扇上，电源通常恒定供应，速度由单独的 PWM 线设置。这与快速切换风扇电源开/关不同。

PWM 和转速计

PWM 是设置所需速度的控制信号。计算机 4 针 PWM 风扇通常频率约为 25 kHz，电源保持恒定。

如果 PWM 线未连接，许多 4 针风扇以全速运行。

转速信号显示 RPM。如果设备应该理解以下情况，则需要它：

  • 风扇是否旋转或停止；
  • 速度是否与命令匹配；
  • 过滤器或风道是否产生过多阻力；
  • 风扇是否卡住。

转速计不能替代温度控制。在有加热器的设备中，如果风扇故障是危险的，你需要监控温度和气流状态。

电压和电流

连接前，检查：

  • 风扇电压：5V、12V、24V；
  • 工作电流；
  • 启动电流；
  • 连接器类型；
  • 引脚分配；
  • 是否有 PWM；
  • 是否有转速计；
  • 工作温度；
  • 气流方向；
  • 噪声水平；
  • 寿命和轴承类型。

你不能从控制器的 GPIO 为风扇供电。GPIO 是信号，不是电源输出。风扇电流必须来自电源、板电源输出或 MOSFET 模块。

启动时，风扇可能短暂吸取比正常操作中更多的电流。如果多个风扇连接到一个输出，它们的电流相加。

噪声、振动和轴承

噪声取决于的不仅仅是 RPM。

声音受以下影响：

  • 叶片形状；
  • 平衡；
  • 轴承类型；
  • 安装；
  • 格栅；
  • 风道；
  • 过滤器；
  • 机箱共振；
  • 附近多个风扇。

技术描述列出噪声为 dB(A)，但在真实机箱中风扇的声音可能不同。几何形状差的格栅、附近的墙壁或对薄板的刚性安装可能会使好风扇变得嘈杂。

对于运行数小时的设备，最好不仅仅按价格和大小选择风扇，还要按寿命、轴承和温度选择。

温度和安装位置

在台上工作良好的风扇可能在热腔室中快速降级。

检查：

  • 风扇工作温度；
  • 加热器附近的空气温度；
  • 距加热元件的距离；
  • 热流是否直接击中电机；
  • 安装是否软化；
  • 线是否干枯；
  • 风扇是否被灰尘或纤维堵塞。

如果风扇负责加热器气流，其故障应在安全逻辑中考虑。你不能设计加热器，以便停止的风扇立即在没有应急关闭的情况下产生危险的温度。

过滤器和风道

过滤器、格栅和风道可能显著降低有用的气流。

典型的迹象：

  • 风扇很响，但气流很弱；
  • 过滤器几乎没有空气通过；
  • 空气通过间隙绕过过滤器；
  • 加热器附近的温度上升比腔室温度快；
  • 安装盖后，气流比台上更差。

要有效过滤腔室，你需要不仅仅放置风扇，还要确保通过过滤器的空气路径。如果空气发现更容易通过间隙，它就会通过。

购买前的检查清单

购买风扇前，检查：

  • 大小和厚度；
  • 电压；
  • 电流；
  • 类型：轴流或离心；
  • 气流；
  • 静压；
  • 噪声；
  • RPM；
  • 轴承类型；
  • 2 针/3 针/4 针；
  • 工作温度；
  • 寿命；
  • 气流方向；
  • 连接器和引脚分配；
  • 是否适合过滤器、风道或自由循环。

对于过滤器和狭窄风道，不要仅按 CFM 选择风扇。查看静压并在真实组件中测试。

典型错误

  • 将 12V 风扇连接到 24V；
  • 将 24V 风扇连接到 12V 并认为它坏了；
  • 从 GPIO 为风扇供电；
  • 没有为外部 MOSFET/PWM 建立公共地；
  • 没有考虑启动电流；
  • 将多个风扇连接到弱输出；
  • 仅按大小选择风扇；
  • 在密集过滤器上安装了自由流风扇；
  • 认为 tach 线是控制线；
  • 认为 4 针 PWM 与 2 针相同；
  • 通过切换电源开/关来控制 4 针 PWM 风扇；
  • 在热区安装风扇而不检查温度；
  • 安装盖、过滤器和风道后没有检查气流。

主要点

风扇根据任务选择：自由循环、过滤器、风道、散热器、加热器或电子产品冷却。对于开放空间，气流很重要；对于过滤器和风道，压力很重要。

检查电压、电流、线类型、PWM/转速计、工作温度和真实系统阻力。在有加热器的设备中，风扇应该是安全热系统的一部分，而不是装饰组件。

参考资料