Ender 3 PSU:n hiljennys

Alunperin julkaistu: 28.3.2021

Viimeksi muokattu: maanantai 29.3.2021

3D-tulostimista lähtee ääntä. Kahdesta 3D-tulostimesta lähtee vielä enemmän ääntä. Tästä syystä olen nyt ottanut missiokseni pienentää melusaastetta tulostimien ympärillä ja aloitin työni hiljentämällä Ender 3:n virtalähteen suhinaa. Tässä rakentelussa tulostetaan Ender 3 tulostimelle virtalähteeseen uusi kansi, kiinnitetään siihen tuuletin ja tehdään kytkentä, joka muuttaa 24 voltin tuulettimen jännitteen 12 volttiin käytettävälle tuulettimelle sopivammaksi. Kirjoituksessa käydään läpi myös hieman asiaa tehohäviöstä ja jäähdytyselementeistä.

Virtalähteen kannen tulostus

Ensitöikseen täytyi laittaa 3D-tulostin hurisemaan ja tulostaa Thingiversestä tämä malli: https://www.thingiverse.com/thing:3437190. Tulostin uuden kannen CR10V3-tulostimellani, 0.5mm suuttimen avulla vajaaseen neljään tuntiin mustasta PLA-muovista.

Seuraavaksi kiinnitin Verkkokaupasta ostetun 80 mm Arctic F8 Pro kotelotuulettimen (https://www.arctic.de/en/F8-Pro/AFACO-08P00-GBA01) tulostettuun koteloon. Koteloon porasin reiän kaapelin läpiviennille, vaikka toki sen olisi voinut tulosteen muistakin aukoista ujuttaa. Halusin kuitenkin kaapelin menevän siististi piiloon tuulettimen johtokourun vierestä, joten reikä sen on oltava.

Läpivientireikä ympyröity punaisella
3D-tulostettu virtalähteen kansi

Kun kansi oli tulostettu, oli aika irroittaa Ender 3:n virtalähde ja purkaa siitä kansi auki. Kansi on kiinni kuudella ruuvilla ja Philips-meisselillä ruuvit aukeavat helposti. Virtalähteen sisälle kurkatessani tarkistin poweroinnin laatua ja ihan pätevältä laitteelta tämä näyttää. Pölyäkään ei ole paljoa kertynyt parin-kolmen vuoden ajalta, mitä tätä tulostinta on käytetty.

Ender 3 24 voltin virtalähde sisältä

Koska alkuperäinen (stock fan) tuuletin on 24 voltin mallia ja tietokonetuulettimet ovat yleensä aina 12 voltin tuulettimia (toki 24 voltin mallejakin on saatavilla), täytyi tälle tehdä myös jännitteenalennin eli regulaattori. Toteutustapa alentimelle on joko hakkuripohjainen eli SMPS (Switching Mode Power Supply) tai LDO(Linear DropOut) regulaattori. Tähän tarkoitukseen kaapista löytyisi SMPS-mallinen MT3608 hakkurimoduli, mutta ajattelin sen olevan ehkä vähän turhan "hyvä" tähän hommaan. Tästä modulista kun pystyy ottamaan useamman ampeerin virtaa ja itse tuuletin tarvitsee vain 0.16 A, niin ehkä tämä on turhan jytky tähän tarkoitukseen… LDO se siis on! Valitsin LDO:ksi mikropiirin nimeltä LM317.

SMPS vs. LDO

LM317 regulaattorikytkentä

Aluksi laskeskelin vastusarvoja LM317-regulaattorille tämän laskimen avulla: https://circuitdigest.com/calculators/lm317-resistor-voltage-calculator. Sama kaava löytyy toki myös piirin datalehdestäkin, mutta sama käyttää laskuria, kun se on nopeampi tapa.

Kytkentä LDO:lle on alla olevan kuvan mukainen. Lisäsin tuloon yhden 2,2 uF:n kondensaattorin ja lähtöpinniin myös diodin suojaamaan kytkentää ns. takaisinpotkulta, kun virta katkaistaan ja tuuletin vielä pyörii. Vastuksen R1 arvo on 1800 ohmia ja R2 on 15 kilo-ohmia.

LM317 12V regulaattorikytkentä

Rakensin kytkennän nopeasti näkkärille. Suojadiodi on pintaliitosmallia ja tuli kytkennän pohjaan, muut komponentit näkkärin päälle:

LM317 kytkentä

Seuraavaksi oli selvitettävä, kuinka paljon LDO tuottaa ylimääräistä lämpöä toimiessaan.

Tehohäviö ja piirin lämpeneminen

Tuuletin ottaa 12 V ja 0.16 A. Tästä laskin ohmin lain kaavalla 12 * 0.2 (P = UI) = 2,4 wattia. Mutta mistä luvut tulevat? Eli tuulettimen käyttöjännite on 12 volttia. Sisäänsyöttöjännite on 24 volttia, joten 24-12 = 12 V. Tämä jännite jää LDO-regulaattoriin ja sen läpi kulkeva virran määrä kertautuu tehohäviöksi, eli 12 * 0.2 = 2,4 W.

Nyt kun tehohäviö on tiedossa, voidaan laskea kuinka paljon piiri lämpeäisi ilman jäähdytyselementtiä. Tarvittava tieto saadaan piirin datalehdestä kappaleesta 7.4 Thermal information. R0(JA) (Junction-to-ambient thermal resistance) kohdasta katsotaan oikean kotelotyypin kohdalta astetta per watti arvo ja kerrotaan se edellisessä kappaleessa lasketulla tehohäviöllä.

Tästä saadaan tieto, että piiri lämpeäisi ilman jäähdytystä noin 116 asteeseen, hieman riippuen tietenkin kuinka piiri lopullisesti on kiinni ja juotettu. Tästä aiheesta on itse asiassa TI:llä parempi dokumenttikin, joka valaisee näitä arvoja hieman tarkemmin, mutta en lähde sitä tähän suomentamaan vaan katso itse jos kiinnostaa: www.ti.com/lit/pdf/spra953.

Entä kuinka paljon piiriin voidaan tehohäviötä upottaa ilman jäähdytystä? Lasketaan sekin. Tarvittava kaava löytyy dokumentista: https://www.ti.com/lit/pdf/slva462.pdf.

Maksimitehohäviön laskeminen

Jos ympäristön lämpötila on 25 astetta, niin maksimi tehohäviö piiriin on 3,29 wattia. Jos taas ympäristö on kuumempi, niin maksimi tehohäviö on vähemmän. 50 asteen lämpötilassa esimerkiksi enää vain 2,63 wattia. Voidaan hyvin olettaa, että virtalähteen sisällä 50 astetta on lähempänä todellisuutta kuin huoneen lämpötila. Tästä syystä päädyin jäähdytyssiilin käyttöön.

Jäähdytyssiilin valinta

Jäähdytyssiilejäkin on siunaantunut vuosien varrella jos minkälaista, joten nyt oli hyvä aika kaivaa esille nämä.

Erilaisia jäähdytyselementtejä

Pyörittelin jäähdytyssiilin valintaa käsin sommittelemalla elementtejä yhdessä piirin kanssa laitteen sisälle. Tälle piti löytää jokin hyvä ja sähköturvallinen paikka ja lopulta se löytyikin.

Jäähdytyssiili kiinnitetään ruuvilla regulaattoriin, mutta sen väliin tarvitaan lämpöä johtavaa ainetta. Käytin tähän tarkoitukseen tehtyä massaa (Kontakt Chemie Heat Sink Compound), jota voi ostaa motonetistä yms. monitoimikaupoista. Olisi mukavaa, jos kaupat jotka myyvät näitä ilmoittaisivat tuotteesta olennaiset speksit esim. sivuillaan, tai linkkaisivat edes datasheetin, mutta ei. Joka tapauksessa tämän massan maksimilämpötila on 300 C, joten välttää tähän sovellukseen varsin mainiosti.

Lämmönjohdetahnaa

En juuri säästellyt tämän kanssa, koska tätä kuluu yleensäkin niin vähän. Tuleepahan edes jotensakin käytettyä.

TO220 kotelon lämpötahna

Kytkennän viimeistely

Leikkasin paksusta muovista kytkentään sopivan palasen ja kiinnitin sen kuumaliimalla pohjaan. Tämän tarkoituksena on estää sähkön kulkeminen vääriin paikkoihin ja katastrofaalisen farssin syntyminen loppuasennuksessa.

Muovieriste leikataan sopivaan kokoon...
... ja kiinnitetään kuumaliimalla näkkärin pohjapuolelle.

Kytkennän jäähdytyksen testaus

Seuraavaksi oli vuorossa kytkennän testaus ja ennenkaikkea jäähdytyksen testaus. Syötin kytkentään labravirtalähteestä 24 volttia ja rupeli alkoi pyörimään.

Kytkennän kokonaistehon kulutus on vajaa 3W

Suuntasin ilmavirran pois jäähdyttimestä, eli jäähdytyselementti toimii passiivisena tässä testissä. Lämpötila-anturin työnsin jäähdytyselementin sisään, ruuvin viereen. Anturi pysyi siinä itsekseen kitkan avulla. Lähtötilanteessa jäähdytyssiili on 27.5 astetta ja huoneilma on noin 20 astetta. Lämmennyt elementti johtui siitä, kun pitelin sitä käsissäni ennen testin aloitusta.

Lähtötilanne testauksessa

Annoin rupelin pyöriä ja mittasin lämpötilan sekuntikellon avulla 1 minuutin välein. Lopussa oli hieman pidempi mittaustauko ja hiljalleen lämpötila alkoi asettumaan vakioksi. Otin tulokset talteen ja piirtelin tästä käppyrän Excelin avulla.

Tuloksesta voidaan havaita, että maksimilämpötila tälle jäähdytyssiilille passiivisena olisi noin 47 astetta. Jos tehdään hieman pelivaraa niin voitaneen sanoa, että jäähdytin lämpenee 50:een asteeseen seisovassa huoneilmassa. Kun tästä vähennetään huoneen lämpötila, saadaan lämpötilan muutokseksi 30 astetta. Tämä puolestaan tarkoittaa havaintojen perusteella sitä, että jäähdyttimen tehokkuus on (30 C / 2,4 W) = 12,5 Celsius-astetta per kulutettu watti.

Huomiona vielä, että jäähdytyssiili oli testissä passiivinen. Kun käänsin tuulettimen ilmavirtaa kohti jäähdytyselementtiä, niin lämpötila lähti heti laskemaan. En kuitenkaan mitannut mihin se asettuu ilmavirran vaikutuksesta, passiivitesti oli tarpeeksi selittävä jo itsessään.

Final Assembly

Testauksen jälkeen voitiin suorittaa lopullinen kokoonpano. Paikka regulaattorille löytyi hyvin muuntajan vierestä (ei huolta, ensiöpuoli on kaukana ja turvallisen matkan päässä) ja kiinnitysaineena toimi kuumaliima jälleen kerran.

Virtalähteen ulkomuoto on nyt hieman silmiinpistävä, mutta mielestäni ihan "cool".

Loppukuvassa vielä koko komeus:

Tuuletin lähtee normaalisti pyörimään ja tulostin toimii kuten ennenkin, kun virtakytkin napsautetaan ON-asentoon. Uusittu virtalähteen tuuletin on kuultavasti hiljaisempi, mutta pursotuspää pitää vielä aikamoista "meteliä".

Tarkkaavaiset lukijat ehkä huomaavat, että tulostusalustan päällä on kappale, joka ehkä hieman liittyy tähän hiljennysoperaatioon, mutta niistä lisää seuraavalla kerralla! Kiitos mielenkiinnostasi ja jos heräsi tähän liittyen kysymyksiä tai kaipaat apua oman tulostimesi kanssa, niin laitappa info-sivun kautta viestiä!