DE10020927C2 - Schaltungsanordnung zur Strombegrenzung einer spannungsgesteuerten Last - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur Ansteuerung einer spannungsgesteuerten Last, insbesondere eines elektronisch kommutierten Lüfters, wie er beispielsweise bei Computern zum Einsatz kommt. Die Spannung über der Last (M) wird von einer Spannungsregelung SR eingestellt, die abhängig von einer oder mehreren Steuergrößen einen Leistungstransistor (T) derart ansteuert, daß an der Last (M) eine von den Steuergrößen abhängige Spannung anliegt. Zudem verfügt die Schaltungsanordnung über eine Strommeßeinrichtung (R¶S¶), die die Höhe des Laststromes (I¶L¶) erfaßt, und eine Strombegrenzereinheit (1), die mit der Strommeßeinrichtung (RS) verbunden ist und bei Überschreitung eines vorgegebenen Stromwertes in die Ansteuerung des Leistungstransistors (T) derart eingreift, daß die Stromaufnahme der Last (M) beschränkt ist. Die Strombegrenzereinheit (1; 11; 21) weist einen Differenzverstärker (2) auf, dessen Ausgang über einen Integrator (3) auf einen Eingang zurückgeführt ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur Strombe­ grenzung einer spannungsgesteuerten Last, insbesondere eines Elektromotors. Elektronische Geräte höherer Leistung brauchen zu ihrer Kühlung elektronisch kommutierte Lüfter. Natürlich möchte man so wenig elektrische Leistung wie möglich in die Aufgabe der Kühlung stecken, da die zur Kühlung verbrauchte Leistung den Gesamtwirkungsgrad des Gerätes herabsetzt.

Da nicht immer der volle Kühlluftstrom erforderlich ist, wird oft die Drehzahl des Lüfters in Abhängigkeit von der Tempera­ tur der zu kühlenden Teile abgesenkt. Die Versorgungsspannung des Lüfters wird dabei in Form einer von der Temperatur ge­ steuerten, aber während einer Lüfterdrehung kurzfristig kon­ stanten Gleichspannung, an den Lüfter angelegt. Die Spannung ist zwar konstant, der Betriebsstrom des Lüfters schwankt je­ doch abhängig von der Winkelposition des Lüfterpropellers. Kurz nach jedem internen Umschalten der Antriebsspule tritt ein erhöhter Strom auf, der nach dem Weiterdrehen des Lüfter­ propellers wieder niedrigere Werte annimmt. Dieser erhöhte Strom bringt nur eine geringfügige Erhöhung der Antriebslei­ stung mit sich, verringert aber den Wirkungsgrad des Lüfters.

Aas der US 4,346,342 ist ein Spannungsregler mit Strombegren­ zung bekannt. Bei dieser Schaltung liegt ein Transistor im Stromversorgungspfad der Last und wird über einen Steuertran­ sistor angesteuert. Die Strombegrenzung wird durch einen Dif­ ferenzverstärker erreicht, der ein Istwertsignal eines Meßwi­ derstandes im Laststrompfad mit einem dynamischen Stromgrenz­ wert vergleicht und dessen Ausgangssignal in die Ansteuerung des Steuertransistors derart eingreift, daß die Stromaufnahme der Last begrenzt ist.

Aus der DE 44 05 068 A1 ist eine Schaltungsanordnung zum Steuern einer Spannung mit einem Operationsverstärker be­ kannt, in dessen Gegenkopplungszweig ein temperaturabhängiger Widerstand eingebunden ist, so daß die Ausgangsspannung von Temperaturänderungen abhängig ist.

Die DE 43 23 504 A1 offenbart eine Bestromungsschaltung für einen kollektorlosen Gleichstrommotor, der durch Pulsbreiten­ modulation angesteuert wird. Dabei werden dem Motor zu Be­ ginn einer Kommitierungsphase, der durch einen Hall-Sensor detektiert wird, Stromimpulse mit rampenförmig ansteigender Intensität zugeführt. Bei einer spannungsgesteuerten Last ist diese Schaltung jedoch nicht anwendbar, da dort die Leistung des Motors nicht über Stromimpulse gesteuert wird, sondern über die Höhe der Versorgungsspannung.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Schaltungsanordnung anzugeben, die eine spannungsgesteuerte Last so ansteuert, daß eine Absenkung des Wirkungsgrades durch einen ungünstigen Verlauf des Laststromes verhindert ist.

Dieses Ziel wird erfindungsgemäß durch eine Schaltungsanord­ nung zur Strombegrenzung einer spannungsgesteuerten Last, insbesondere eines elektronisch kommutierten Lüfters, gelöst mit einem Transistor, der im Stromversorgungspfad der Last liegt, einer Vorrichtung zur Spannungsansteuerung, die abhängig von mindestens einer Steuergröße den Transistor derart ansteuert, daß an der Last eine von der mindestens einen Steuergröße abhängige Spannung anliegt, einer Strommeßein­ richtung, die die Höhe des Laststromes erfaßt, einer Strombe­ grenzereinheit, die mit der Strommeßeinrichtung und dem Tran­ sistor verbunden ist und die einen Differenzverstärker auf­ weist, der einen von dem Laststrom abhängigen Spannungswert mit einem Regelspannungswert vergleicht, der durch die Inte­ gration der Ausgangsspannung des Differenzverstärkers erzeugt wird, wobei die Strombegrenzereinheit in die Ansteuerung des Transistors derart eingreift, daß die Stromaufnahme der Last begrenzt ist.

Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung stellt eine der Spannungssteuerung überlagerte, selbsteinstellende Strombe­ grenzung dar. Der Lüfter erhält als Betriebsspannung wie im Stand der Technik eine geregelte Gleichspannung. Überschrei­ tet der Laststrom einen festlegbaren Grenzwert, so greift die Strombegrenzung ein und reduziert kurzfristig die Betriebs­ spannung des Lüfters, so daß der Strombegrenzungswert nicht weiter überschritten wird.

Vorteilhaft ist, daß sich der Grenzwert für den Laststrom ab­ hängig von der Spannungsregelung selber einstellt. Da die Lüfterdrehzahl und damit der Lüfterstrom abhängig von der Temperatur geregelt wird, ist es nicht möglich, eine festen Grenzwert für den Strombegrenzer einzustellen, sondern dessen Grenzwert muß sich automatisch einstellen. Die Strombegren­ zereinheit wirkt nur auf kurzfristig auftretende Stromüberhö­ hungen. Der Mittelwert des Stromes wird durch die temperatur­ geregelte Spannungsansteuerung vorgegeben, so daß die Strom­ begrenzung der Spannungssteuerung also nur überlagert ist.

In einer vorteilhaften Ausführung besteht die Strommeßein­ richtung aus einem Meßwiderstand, der in den Laststrompfad geschaltet ist. Die Strombegrenzereinheit ist in einfacher Weise so ausgestaltet, daß sie einen Differenzverstärker und einen Integrator aufweist, wobei die Strommeßeinrichtung mit einem ersten Differenzverstärkereingang verbunden ist, der Ausgang des Differenzverstärkers auf den Steuereingang des Transistors wirkt und zudem über einen Integrator auf den Eingang zurückgekoppelt ist.

In einer vorteilhaften Ausführung ist der Integrator so aus­ geführt, daß er für Aufwärts- und Abwärtsregelung unter­ schiedlicher Zeitkonstanten besitzt.

Eine weiterer Vorteil entsteht, wenn für den Laststrom ein Minimalwert vorgegeben ist. Für beispielsweise den ordnungs­ gemäßen Betrieb eines Lüftermotors darf eine Mindestdrehzahl nicht unterschritten werden, weil sonst eine Fehlererken­ nungslogik fälschlicherweise den Stillstand des Lüfters er­ kennt. Durch die Vorgabe eines Minimalwertes für den Last­ strom ist dagegen eine vorgeschriebene Mindestdrehzahl ge­ währleistet.

Weitere Einzelheiten und Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbei­ spiel näher beschrieben. Es zeigt:

Fig. 1 einen typischen Stromverlauf eines elektronisch kommutierten Lüftermotors, für den eine erfindungs­ gemäße Schaltungsanordnung einsetzbar ist,

Fig. 2 eine erfindungsgemäße Schaltungsanordnung,

Fig. 3 eine vorteilhafte Erweiterung der Schaltungsanord­ nung von Fig. 2,

Fig. 4 eine weitere vorteilhafte Erweiterung der Schal­ tungsanordnung von Fig. 2, und

Fig. 5 und 6 Diagramme mit Stromverläufen von erfindungsge­ mäß ausgestalteten Schaltungsanordnungen.

Die Fig. 1 zeigt einen typischen Verlauf des Laststromes I_L, wie er bei elektronisch geregelten Lüftermotoren auftritt. In der der Fig. 1 zugrundeliegenden Anordnung ist der Lüftermo­ tor mit einer Klemme an eine Versorgungsspannung gelegt (vgl. Fig. 2) und das Oszillogramm zeigt die Spannung U_B - U_L an der anderen Klemme des Lüftermotors, wobei diese Spannung bei­ spielsweise über die Temperatur, die durch einen Meßfühler aufgenommen wird, geregelt wird. Unmittelbar nach der Kommu­ tierung zum Zeitpunkt t_k zeigt der Laststrom I_L einen hohen Wert an, von dem er wieder langsam auf einen niedrigeren Wert abfällt. Diese Schwankung des Laststromes I_L ist abhängig von der Winkelposition des Lüftermotors. Der erhöhte Laststrom I_L bringt nur eine geringfügige Erhöhung der Antriebsleistung mit sich, verringert aber den Wirkungsgrad des Lüfters.

Im vorliegenden Beispiel gemäß der Fig. 1 beträgt der Mit­ telwert der Spannung über einem Meßwiderstand 55,6 mV, was einem Laststromes I_L von 118 mA entspricht.

Die Fig. 2 zeigt eine erfindungsgemäße Schaltungsanordnung, die den Laststrom I_L auf niedrigere Werte begrenzt. Im rech­ ten Teil der Schaltungsanordnung sieht man einen Schaltungs­ block, der eine konventionelle, temperaturgeregelte Span­ nungsregelung SR des Lüfters darstellt. Dazu ist der Span­ nungsregler SR mit einem temperaturabhängigen Widerstand R_th verbunden. Der Ausgang der Spannungsregelung SR wird über ei­ nen Vorwiderstand R_V an einen Leistungstransistor T angelegt. Bei dem gezeigten Prinzip spielt es keine Rolle, ob der Tran­ sistor T ober- oder unterhalb eines Lüfters M angeordnet ist, daß heißt, ob der Leistungstransistor T zwischen dem Lüfter­ motor M und der Versorgungspannung U_B oder zwischen dem Lüf­ termotor M und dem Bezugspotential liegt.

Zur Stromerfassung ist ein Widerstand R_S vorgesehen, der zwi­ schen dem Lüftermotor M und der Versorgungspannung U_B oder zwischen dem Lüftermotor M und dem Bezugspotential liegt. Im Ausführungsbeispiel von der Fig. 2 wird die Spannung über dem Widerstand R_S, die im folgenden als Meßspannung U_m be­ zeichnet wird und die dem Laststrom I_L proportional ist, auf den invertierenden Eingang eines Differenzverstärkers 2 gege­ ben. Gleichzeitig erhält der Differenzverstärker einen Soll­ wert von einem Integrator 3 an seinem nicht-invertierenden Eingang. Überschreitet die Meßspannung U_m am invertierenden Eingang die Sollspannung am nicht-invertierenden Eingang, so senkt der Differenzverstärker 2 über eine Diode D1 die An­ steuerspannung des Transistors T und damit die Betriebsspan­ nung des Lüftermotors M so lange ab, bis der gewünschte Grenzstrom eingehalten wird.

Der Integrator 3 erhält seine Regelinformation vom Ausgang des Differenzverstärkers 2. Wenn Strombegrenzung vorliegt, ist die Ausgangsspannung U_a des Differenzverstärkers 2 rela­ tiv niedrig und der Integrator 3 wird nun langsam in Richtung höherer Stromgrenzwerte, d. h. einer höheren Spannung U_lim, nachgeregelt. Ist hingegen die Ausgangsspannung U_a von dem Differenzverstärker 2 relativ hoch, liegt keine Strombegren­ zung vor und der Integrator 3 wird langsam in Richtung nied­ rigerer Stromgrenzwerten nachgeregelt. Dadurch stellt sich automatisch bei jedem Lüftermotor M, der je nach Typ und To­ leranzlage unterschiedliche Kenndaten aufweist, und bei jeder Drehzahl eine gleichmäßiges Verhältnis zwischen der Zeit, in der der Lüftermotor M mit Strombegrenzung, und der Zeit, in der der Lüftermotor M ohne Strombegrenzung arbeitet, ein. Die Schnelligkeit, mit der die Spannung U_a nachgeregelt wird, hängt von der Zeitkonstanten τ₁ = R2.C des Integrators 3 ab.

Eine erweiterte Schaltungsanordnung ist in der Fig. 3 zu se­ hen. In dieser vorteilhaften Ausgestaltung ist ein Integrator 13 mit verschiedenen Zeitkonstanten für Auf- und Abwärtsregelung ausgestattet. Dies ist realisiert durch die Serienschal­ tung einer zweiten Diode D2 mit dem ersten Widerstand R2 und, parallel dazu, einer Reihenschaltung von einer dritten Diode D3 mit einem zweiten Widerstand R3. Die dritte Diode D3 ist dabei antiparallel zu der zweiten Diode D2 geschaltet. Je nachdem, ob die Ausgangsspannung U_a eines Differenzverstär­ kers 12 niedriger oder höher ist als die am invertierenden Eingang des Integrators 13, wird das RC-Glied mit der Zeit­ konstanten τ1 = R2.C oder das mit der Zeitkonstanten τ2 = R3.C wirksam.

In einer weiteren, vorteilhaften Ausgestaltung der Schal­ tungsanordnung gemäß der Fig. 4 kann ein Minimalstrom vorge­ geben werden. Dies ist realisiert durch das Einfügen einer vierten und einer fünften Diode D4 und D5, wobei die vierte Diode D4 zwischen den Ausgang des Integrators 23 und den nicht-invertierenden Eingang des Differenzverstärkers 22 und die fünfte Diode D5 zwischen eine zweite Referenzspannungs­ quelle U_ref2 und den nicht-invertierenden Eingang des Diffe­ renzverstärkers 22 geschaltet ist. Auf diese Weise liegt an dem nicht-invertierenden Eingang des Differenzverstärkers 22 immer eine durch U_lim = U_ref2 - U_D5 vorgegebene Mindestspan­ nung an. Dadurch wird die Lüfterelektronik bei niedriger Drehzahl am Abschalten gehindert.

Diagramme mit Strom- und Spannungsverläufen erfindungsgemäßer Schaltungsanordnungen sind in den Fig. 5 und 6 darge­ stellt. Aufgetragen ist der Laststrom I_L sowie die Spannung U_B - U_L. Während der Mittelwert des Stromes bei einem Lüfter­ motor ohne Strombegrenzung gemäß der Fig. 1 bei 118 mA liegt, kann mit einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung, die den Strom auf einen weitgehend konstanten Maximalwert begrenzt, der Strommittelwert gemäß der Fig. 5 auf 98 mA gesenkt wer­ den. Bei einer optimal eingestellten Strombegrenzung gemäß dem Oszillogram der Fig. 6, wird ein Mittelwert des Last­ stromes von 84 mA erreicht. Dabei begrenzt die Schaltungsan­ ordnung den Laststrom derart, daß er ausgehend von einem Minimalwert unmittelbar nach der Kommutierung rampenförmig bis zu einem Maximalwert ansteigt. Anschließend fällt er wieder gemäß seinem unbegrenzten Verlauf (vgl. Fig. 1) ab.

Claims (6)

1. Schaltungsanordnung zur Strombegrenzung einer spannungsge­ steuerten Last, insbesondere eines elektronisch kommutierten Lüfters, mit
einem Transistor (T), der im Stromversorgungspfad der Last (M) liegt,
einer Vorrichtung zur Spannungsansteuerung (SR), die ab­ hängig von mindestens einer Steuergröße (U_th) den Transi­ stor (T) derart ansteuert, daß an der Last (M) eine von der mindestens einen Steuergröße (U_th) abhängige Spannung (U_L) anliegt,
einer Strommeßeinrichtung (R_S), die die Höhe des Laststro­ mes (I_L) erfaßt,
einer Strombegrenzereinheit (1; 11; 21), die mit der Strommeßeinrichtung (R_S) und dem Transistor (T) verbunden ist und die einen Differenzverstärker (2; 12; 22) auf­ weist, der einen von dem Laststrom abhängigen Spannungs­ wert (U_m) mit einem Regelspannungswert (U_lim) vergleicht, der durch die Integration der Ausgangsspannung (U_a) des Differenzverstärkers (2; 12; 22) erzeugt wird, wobei die Strombegrenzereinheit (1) in die Ansteuerung des Transi­ stors (T) derart eingreift, daß die Stromaufnahme der Last (M) begrenzt ist.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine der Steuergrößen (U_th) durch einen Temperatursensor (R_th) bereit­ gestellt ist.

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Strom­ meßeinrichtung aus einem Meßwiderstand (R_S) im Laststrompfad besteht.

4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Strombe­ grenzereinheit (1; 11; 21) zur Integration der Ausgangsspan­ nung (U_a) des Differenzverstärkers (2; 12; 22) einen Integra­ tor (3; 13; 23) mit einem Operationsverstärker (4; 14; 24), einem Kondensator (C) und einem ersten Widerstand (R2) auf­ weist, wobei die Strommeßeinrichtung (R_S) mit einem ersten Eingang des Differenzverstärkers (2; 12; 22) verbunden ist, der Ausgang des Differenzverstärkers (2; 12; 22) über eine erste Diode (D1) mit dem Steuereingang des Transistors (T) und über den ersten Widerstand (R2) mit dem Operationsver­ stärker (4; 14; 24) verbunden ist und der Ausgang des Opera­ tionsverstärker (4; 14; 24) mit dem zweiten Eingang des Dif­ ferenzverstärkers (2; 12; 22) in Verbindung steht.

5. Schaltungsanordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß zu dem er­ sten Widerstand (R2) eine zweite Diode (D2) in Reihe geschal­ tet ist und antiparallel zu der Reihenschaltung aus dem er­ sten Widerstand (R2) und der zweiten Diode (D2) eine Reihen­ schaltung aus einem zweiten Widerstand (R3) und einer dritten Diode (D3) liegt, so daß je nach Flußrichtung des Stromes vom Ausgang des Differenzverstärkers (12; 22) zum Operationsver­ stärker (14; 24) für den Integrator (13; 23) unterschiedliche Zeitkonstanten wirksam sind.

6. Schaltungsanordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den Ausgang des Operationsverstärkers (24) und den zweiten Ein­ gang des Differenzverstärkers (22) eine vierte Diode (D4) ge­ schaltet ist und zudem an dem zweiten Eingang des Differenz­ verstärkers (22) über eine fünfte Diode (D5) eine zweite Re­ ferenzspannung (U_ref2) anliegt.