-
Die
Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur adaptiven Steuerung von
Lüftern für eine Rechenanlage, die mindestens
einen Lüfter, mindestens einen Betriebsgrößenkonverter,
mindestens einen Drehzahlimpulskonverter, mindestens einen Spannungssollwertkonverter
und eine Regel- und Steuervorrichtung gemäß des
Patentanspruchs 1 aufweist.
-
Marktübliche
Lüftersteuerungen sind für bestimmte elektrische
Bedingungen und in der Regel nur für einen einzigen festgelegten
Lüftertyp optimiert. Hierzu wird bei der Hardwareauslegung
der Lüftersteuerung diese explizit an die technische Spezifikationen
des Lüfters angepasst, so dass beim Einsatz eines anderen
Lüftertyps ebenfalls die Lüftersteuerung auszuwechseln
ist. Oftmals wird in diesem Zusammenhang eine Kosten- und nicht
Energieverbrauchsminimierung durchgeführt, wobei normalerweise
eine konstante Versorgungsspannung des Lüfters zur Verfügung
steht. Darüber hinaus werden auf dem Markt IC-Bauteile
angeboten, welche die Performance des Prozessors schonen, aber nur
für bestimmte Lüfter geeignet sind.
-
Die
meisten auf dem Markt verwendeten Lüftersteuerungen berücksichtigen
nicht den Umstand, dass die Lüfter Verschleißteile
aufweisen und nach längerer Betriebsdauer oftmals bei der
am Anfang festgelegten minimalen Spannung nicht mehr anlaufen. Dies
ist auf einer Erhöhung des verschleißbedingten
Haftreibungs- und Gleitreibungsbereichs des Lüfterlagers
zurückzuführen. Falls dennoch Steuerungen die
Möglichkeit aufweisen, den Lüfterverschleiß zu
berücksichtigen (z. B. MAX 6640 der Fa. Maxim/Dallas Semiconductors),
sind sie nicht in der Lage, ohne zusätzliche Schaltungserweiterungen
die handelsüblichen 5 V oder 12 V Lüfter mit unterschiedlichen
Drehzahlimpulsgebern und veränderlichen Versorgungsspannungen
der Gesamtschaltung von z. B. 8 V bis 18 V, wie das oft für
mobile Applikationen z. B. beim Einsatz von Smart Batterie Akkus erforderlich
ist, zu betreiben.
-
Aus
der
DE 103 03 457
B4 geht eine Lüftersteuerung für einen
Prozessorlüfter hervor, bei der eine Lüfterkennlinie
zur prozessorindividuellen Lüftersteuerung in Abhängigkeit
von der Prozessortemperatur zur Erzeugung eines Lüftersteuersignals
herangezogen wird. Dabei geht diese Vorrichtung jedoch von einem
idealen Lüfter aus, und berücksichtigt nicht die
tatsächliche Lüfterdrehzahl bei Ansteuerung des
Lüfters mit einem bestimmten Lüftersteuersignal,
die bei Vorgabe eines Lüftersteuersignals des weiteren
vom Verschleißgrad des Lüfters abhängt. Des
Weiteren birgt auch diese Vorrichtung das Problem, dass ihre elektrische
Spezifikation mit viel Aufwand jeweils an den anzuschließenden
Lüfter angepasst werden muss.
-
Die
in den 3a und 3b dargestellten einfachen
Lüftersteuerungen ermöglichen die Ansteuerung
eines Lüfters durch ein PWM-Signal (Pulsweitenmodulation),
so dass verschiedene Lüfterdrehzahlen ermöglicht
werden. Hierbei ermöglicht die in 3a dargestellte
Schaltung eine einfache PWM-Ansteuerung des Lüfters ohne
Rückkopplung, während die in 3b dargestellte
Schaltung Drehzahlimpulse des Lüfters aufnimmt, und hierdurch
in begrenztem Maße eine Regelung der PWM-Signale in Abhängigkeit
der gemessenen Drehzahlen zur Erreichung einer gewünschten
Drehzahl vornehmen kann. Jedoch haftet diesen Schaltungen ebenfalls das
Problem an, dass sie nur für einen genau spezifizierten
Lüfter eingesetzt werden können, so dass beispielsweise
eine Ansteuerung verschiedener Lüf ter mit unterschiedlichen
elektrischen Spezifikationen jeweils individuell angepasste Steuerungs-ICs
oder -hardware erfordert.
-
Ausgehend
von diesem Stand der Technik ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung,
eine Vorrichtung zur adaptiven Steuerung von Lüftern vorzuschlagen,
bei der die Nachteile des Standes der Technik überwunden
werden. Die Erfindung soll hierzu eine höchst flexible
Lüftersteuerung ermöglichen, bei der unterschiedliche
Lüfter verschiedenster elektrischer Spezifikationen gleichzeitig
an eine Steuer- und Regelvorrichtung angeschlossen werden können,
dabei der individuelle Verschleißgrad des Lüfters
bei der Steuerung berücksichtigt wird und durch eine minimale
Anzahl spezialisierter Komponenten die Fertigungsflexibilität
von Lüftervorrichtungen für Rechenanlagen erheblich
verbessert wird. Die Erfindung soll des Weiteren den Betrieb von
Lüftern mit verschiedenen Nennspannungen (z. B. 5 V und
12 V), mit unterschiedlichster Hardware des Drehzahlgebers des Lüfters
und verschiedenen Verschleißgraden der mechanischen Teile
ermöglichen. Dabei sollte eine Änderung von Hardwarekomponenten und
Bauteilen nicht erforderlich sein und durch eine softwaremäßige
Adaption der Steuervorrichtung für den Einsatz von marktüblichen
PC Lüftern eine erforderliche Produktionsflexibilität
kostengünstig und einfach zu realisieren sein.
-
Diese
Aufgabe wird durch eine Vorrichtung nach dem Patentanspruch 1 gelöst.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
-
Die
Vorrichtung zur adaptiven Steuerung von Lüfter für
eine Rechenanlage umfasst mindestens einen Lüfter, mindestens
einen Betriebsgrößenkonverter, mindestens einen
Drehzahlimpulskonverter, mindestens einen Spannungssollwertkonverter
und eine Regel- und Steuervorrichtung. Dabei nimmt der Betriebsgrößenkonverter
originäre Betriebsgrößen des Lüfters
wie Temperatur des zu kühlenden Gegenstands, Lüfterversorgungsspannung,
Lüfterstrom etc. auf, wandelt diese in normierte Betriebsgrößen
um, und übermittelt diese an die Regel- und Steuervorrichtung.
Der Drehzahlimpulskonverter empfängt ein originäres
Drehzahlgebersignal des Lüfters, wandelt dieses in ein
normiertes Drehzahlgebersignal um und übermittelt dieses
an die Regel- und Steuervorrichtung. Die Regel und Steuervorrichtung
berechnet schließlich aus den normierten Betriebsgrößen
und dem normierten Drehzahlgebersignal einen normierten Spannungssollwert
des Lüfters, und übermittelt diesen an einen Spannungssollwertkonverter.
Der Spannungssollwertkonverter erzeugt aus dem normierten Spannungssollwert
einen angepassten Spannungssollwert des Lüfters und steuert
somit den Lüfter an.
-
Mit
anderen Worten umfasst die erfindungsgemäße Vorrichtungen
eine typenunabhängige Regel- und Steuervorrichtung, die
gegenüber den Eingangsgrößen (originäre
Betriebsgrößen und Drehzahlgebersignal) durch
einen Betriebsgrößenkonverter und einen Drehzahlimpulskonverter
abgegrenzt ist, und normierte Ausgangsgrößen (normierter Spannungssollwert
des Lüfters) liefert, die durch einen Spannungssollwertkonverter
an den jeweiligen Lüfter angepasst werden.
-
In
diesem Zusammenhang wird darauf hingewiesen, dass der Begriff „Steuerung"
im folgenden sprachlich unpräzise eine eigentlich als Regelvorrichtung
zu definierende Vorrichtung charakterisiert.
-
Mit
Hilfe einer solchen Vorrichtung wird eine Hardware vorgeschlagen,
die prozessorressourcenschonend arbeitet, und ohne zusätzliche
spezielle Lüftersteuerungsbausteine (IC's) auskommt. Dabei ist
ein Betrieb von Lüftern mit verschiedenen Nennspannungen
möglich, wobei eine Drehzahlerfassung bei unterschiedlicher
Hardware des Drehzahlgebers mit unterschiedlichen Impulsbeschaffenheiten
möglich ist. Selbst bei verschiedenen Verschleißgraden ist
eine minimale Lüftergeschwindigkeit präzise regelbar
(RPM control ensures accurate fan speed). Letztlich kann softwaremäßig
die Regelvorrichtung an verschiedene marktübliche PC Lüfter
adaptiert werden.
-
Die
Erfindung nützt dazu aus, dass moderne Chipsätze
in der Lage sind, rechenleistungsneutral die durch interne Sensoren
erfasste Temperatur des zu kühlenden Gegenstands in entsprechende PWM- Signale
(normierter Spannungssollwert) umzusetzen. Durch die Aufschaltung
des erzeugten angepassten Spannungssollwerts auf einen typischen preiswerten
Step-Down-Regler (Teil des Spannungssollwertkonverters) ist es möglich,
einen verlustarmen Spannungsteller zu realisieren. Dabei wirkt das PWM-Signal
durch z. B. einen T-Filter (Digital-Analog-Wandler/Teil des Spannungssollwertkonverters) auf
das Rückkopplungssignal (Feedback-Signal, FB-Signale) und
ermöglicht somit die Realisierung einer UFAN =
f(PWM) Kennlinie (siehe 5, Kennlinie eines Spannungsstellers).
-
Zur
Adaption der Steuervorrichtung an den entsprechenden Lüftertyp
können die Angaben des Lüfters im BIOS-Setup der
Rechenanlage abgelegt werden; so können Daten wie Umax, Umin des Lüfters sowie
die zugeordneten Temperaturen Tmax, Tmin in einer Speichereinheit der Steuervorrichtung
abgelegt werden, und die Steuervorrichtung kann somit die Lüfterdrehzahl
abhängig von der Temperatur präzise steuern.
-
Die
Steuervorrichtung ermöglicht eine Drehzahlüberwachung,
wobei die minimale Lüftergeschwindigkeit bei verschiedenen
Verschleißgraden von der Reibungskraft abhängig
ist (RPM control ensures accurate fan speed). Dabei wird die Abhängigkeit
der Haftreibungskraft Fh und Gleitreibungskraft
Fg von der Drehzahl, wie sie in 6 dargestellt ist,
genutzt. Somit ist es möglich, durch Vorgabe des vollen
digitalen Sollwerts und Anwendung eines T-Filters die Haftreibungskraft
(Fh-Verschleiß) zuverlässig
zu überwinden.
-
Um
die Drehzahl des Lüfters zu bestimmen, ist ein Drehzahlimpulskonverter
vorgesehen, der in der Lage ist, Impulse von verschiedenen Drehzahlimpulsgebern
auszuwerten. Beispielsweise ist es denkbar, dass der Drehzahlimpulskonverter
Drehzahlimpulse eines Open Collector/Open Drain Ausgangs, eines
Push/Pull Ausgangs oder eines Nadelimpuls-Ausgangs aufnimmt, und
hieraus ein normiertes Drehzahlgebersignal an die Regel- und Steuervorrichtung
ausgibt. Die Impulsauswertung wird vorzugsweise durch die Verwendung
eines Differenzierglieds realisiert, welches durch die Auswertung
der Flanken des originären Drehzahlimpulses eine Transistorstufe
ansteuert, die die notwendige Spannungspegelanpassung zur Erzeugung
des normierten Drehzahlgebersignals vornimmt (siehe 4).
-
Wie
bereits oben angesprochen ist vorteilhafterweise der Drehzahlimpulskonverter
in der Lage, das originäre Drehzahlgebersignal unterschiedlicher
Gestalt und energetischer Beschaffenheit aufzunehmen, und in ein
normiertes Drehzahlgebersignal und ein Stillstandssignal, das den
Stillstand des Lüfters indiziert, zu wandeln. Hierbei dient
insbesondere das Stillstandssignal (nfan =
0) dazu, die minimale Lüfterspannung Umin/PWMmin festzustellen, bei der der Lüfter
vom Stillstand in den dynamischen Betrieb übergeht. Durch
Kenntnis der minimalen Lüfterspannung ist eine adaptive
Ausregelung der alterungsbedingten Veränderung der Betriebseigenschaften
des Lüfters sehr elegant möglich.
-
Grundsätzlich
kann an die Steuervorrichtung jede beliebige Art von Lüfter,
d. h. AC- und DC-Lüfter verschiedenster Leistungen und
Drehzahlbereiche angeschlossen werden. In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel
ist der Lüfter als Gleichspannungslüfter (DC-Lüfter)
ausgelegt, bei der eine einfache Ansteuerung durch PWM Signale möglich
ist, um die Drehzahl mit geringem Hardwareaufwand zu regeln.
-
Besonders
bevorzugt umfasst der Gleichspannungslüfter einen Gleichspannungssteller,
der mit einem analogen angepassten Spannungssollwert angesteuert
wird, und darauf basierend aus einer Lüfterversorgungsspannung
eine angepasste Lüfterspannung erzeugt. Somit wird der
Gleichspannungssteller als analoges Bauteil vorgesehen, und kann kostengünstig
und einfach beispielsweise durch PWM-Signale gesteuert werden. Insbesondere
kann der Spannungssteller eine Ufan = f(PWM)-Kennlinie besonders
einfach realisieren.
-
Umfasst
der Gleichspannungslüfter nach dem obigem Ausführungsbeispiel
einen Gleichspannungssteller, so ist es des weiteren besonders vorteilhaft,
dass der Spannungssollwertkonverter einen Digital- Analog-Wandler
umfasst, der aus digitalen normierten Spannungssollwerten analoge
angepasste Spannungssollwerte zur Ansteuerung des Gleichspannungssteller
erzeugt. Somit gibt die Regel- und Steuervorrichtung digitale angepasste
Spannungssollwerte aus, die mittels eines Digital-Analog-Wandlers
in angepasste analoge Spannungssollwerte konvertiert werden, und
den Gleichstellungssteller ansteuern. Die hierzu notwendigen Bauteile
sind in vielen verschiedenen Varianten kostengünstig auf
dem Markt erhältlich.
-
Das
Netzteil der Rechenanlage stellt eine maximal mögliche
Betriebsspannung Umax zur Verfügung.
Des Weiteren läuft der Lüfter erst ab einer definierten
und verschleißabhängigen minimalen Spannung Umin an. In einem besonders bevorzugten Ausführungsbeispiels
erzeugt entweder der Gleichspannungssteller oder der Digital-Analog-Wandler
aus der von Umin bis Umax reichenden
Versorgungsspannung eine lüfterspezifische und zulässige
Lüfterspannung im Bereich BIOS:Umin bis
BIOS:Umax. Hierzu ist es besonders vorteilhaft,
dass der definierte Betriebsbereich BIOS:Umin bis
BIOS:Umax frei programmierbar und beispielsweise
in einem Speicher der Vorrichtung abgelegt wird. Dadurch kann die
Vorrichtung einfach softwaretechnisch an unterschiedliche Lüfter adaptiert,
und automatisch die verschleißbedingte Anhebung der minimalen
Lüfterspannung Umin vorgenommen
werden.
-
In
einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel wandelt
der Betriebsgrößenkonverter die analogen originären
Betriebsgrößen des Lüfters wie Temperatur
des zu kühlenden Gegenstandes, Lüfterversorgungsspannung,
Lüfterstrom etc. in normierte Betriebsgrößen
um und übermittelt diese an die Regel- und Steuervorrichtung,
wobei der Betriebsgrößenkonverter ein Bedieninterface
zur frei programmierten Einstellung des Wandlungsbereichs der originären
Betriebsgrößen umfasst. Somit ist die Steuervorrichtung
universell an verschiedene Rechenanlagen und verschiedene Lüfterkombinationen
ohne Hardwareänderung anpassbar; lediglich die Wandlungsbereiche
der originären Betriebsgrößen müssen
hierzu angepasst werden. Dies spart Kosten und vereinheitlicht die
Hardware der Lüftersteuerung für verschiedenste
Anwendungen.
-
In
einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel umfasst
die Vorrichtung eine Speichereinheit, in der spezifische Lüfterparameter
wie maximal zulässige Lüfterspannung Umax, zulässige Bereich der originären
Betriebsgrößen, Leistungswerte des zu kühlenden
Gegenstands etc. abgelegt sind. Somit können beispielsweise
die oben angesprochenen BIOS-Einstellungen direkt in der Lüftersteuerung
abgelegt werden. Damit stellt die Lüftersteuerung eine eigenständige
Vorrichtung dar, die prozessor- und ressourcenschonend in die Rechenanlage
integriert werden kann.
-
Grundsätzlich
kann die Steuervorrichtung den Spannungssollwert des Lüfters
auf verschiedene Möglichkeiten berechnen. Besonders vorteilhaft
berechnet die Regel- und Steuervorrichtung den normierten Spannungssollwert
basierend auf den normierten Betriebsgrößen und
den in der Speichereinheit abgelegten Daten. Dabei ist es des weiteren
besonders vorteilhaft, dass die Regel- und Steuervorrichtung den
berechneten normierten Spannungssollwert unter Berücksichtigung
des Stillstandssignals und des normierten Drehzahlgebersignal aufgrund
des festgelegten Betriebsmodes des Lüfters sowie alterungs-
und verschleißbedingter Änderungen des Betriebsverhaltens
des Lüfters selbständig korrigiert.
-
In
ihrer Grundausführung ist die vorgeschlagene Vorrichtung
dazu bestimmt, einen einzigen Lüfter zu steuern. Es ist
des weiteren jedoch auch denkbar und vorteilhaft, dass eine einzige
Regel- und Steuervorrichtung mit mehreren Betriebsgrößenkonvertern,
mehreren Drehzahlimpulskonvertern und mehreren Spannungssollwertkonvertern
zur Steuerung mehrerer Lüfter verbunden ist, wobei die
Regel und Steuervorrichtung eine simultane Ansteuerung der mehreren
Lüfter unterschiedlicher Spezifikationen und verschiedener
Betriebszustände vornimmt. So ist es beispielsweise denkbar,
dass eine einzige Regel- und Steuervorrichtung die Regelung des
Prozessorlüfters, des Netzteillüfters und des
Gehäuselüfters übernimmt, so dass der
dafür vorgesehene Platz und natürlich auch die
Hardwareanpassungskosten für die energetisch optimalen
Lösungen dramatisch reduziert werden. Gerade bei diesem
Ausführungsbeispiel treten die Vorteile gegenüber
den aus dem Stand der Technik bekannten Lüftersteuerungen
deutlich in den Vordergrund.
-
Grundsätzlich
können die Spezifikationen des Lüfters, die Wandlungsbereiche
der Betriebsparameter und weitere von der Vorrichtung benötigte Daten
beliebig abgespeichert oder in der Vorrichtung hardwaretechnisch
festgelegt werden. Jedoch ist es in einer bevorzugten Ausführungsform
möglich, diese Daten im BIOS der Rechenanlage frei einstellbar festzulegen,
so dass diese vom Anwender leicht und ohne Probleme beispielsweise
bei Austausch des Lüfters oder beim Umbau der Rechenanlage
im BIOS-Setup geändert werden können.
-
Ferner
ist es vorteilhaft, dass die Regel- und Steuervorrichtung bei fehlendem
Stillstandssignal die Steuerung des Lüfters aus anderen
originären Betriebsgrößen, wie beispielsweise
Temperatur und Versorgungsspannung, gewährleistet.
-
Im
Nachfolgenden wird die Erfindung anhand lediglich Ausführungsbeispiele
zeigender Zeichnungen näher erläutert.
-
Es
zeigen:
-
1:
ein Foto eines typischen Lüfters einer Rechenanlage;
-
2:
eine schematische Schaltungsskizze der Komponenten eines Lüfters
mit Drehzahlgeber und Temperaturfühler;
-
3: Schaltungen zweier typischer Lüftersteuerungen
des Stands der Technik;
-
4:
Schaltskizze eines Drehzahlimpulskonverters eines Ausführungsbeispiels;
-
5:
Beispiel eines Diagramms des Zusammenhangs PWM-Signal zu angepasster
Lüfterspannung mit linearer Abhängigkeit der beiden
Größen;
-
6:
Diagramm des Zusammenhangs Lüfterdrehzahl zu verschleissabhängigen
Reibungsbereichen des Lüfters;
-
7:
Blockschaltbild einer ersten Ausführungsform einer Lüftersteuerung;
-
8:
Blockschaltbild einer zweiten Ausführungsform einer Lüftersteuerung;
-
9:
Blockschaltbild einer dritten Ausführungsform einer Lüftersteuerung;
-
10:
Blockschaltbild einer vierten Ausführungsform einer Lüftersteuerung;
-
1 zeigt
ein Foto eines typischen PC-Lüfters 01, wie er üblicherweise
zur Kühlung des CPUs eines Desktoprechners eingesetzt wird.
Deutlich sind das Lüfterrad, der Lüftermotor sowie
das Anschlusskabel zu erkennen. Typischerweise wird das Anschlusskabel
des Lüfters an einen Gleichspannungssteller angeschlossen,
der in Abhängigkeit eines Spannungssollwertsignals eine
drehzahlangepasste Spannung für den Lüfter zur
Verfügung stellt.
-
Die 2 zeigt
in einem Blockschaltbild typische Komponenten, die zur äußeren
Beschaltung an eine Ausführungsform der Steuervorrichtung
für Lüfter für eine Rechenanlage dienen.
An die Steuervorrichtung wird ein Temperaturfühler 18,
der die Temperatur des zu kühlenden Gegenstands misst,
angeschlossen beziehungsweise erhält die Steuervorrichtung
die Temperaturwerte von einer Temperaturmesswertvorrichtung für
die der Temperatursensor stellvertretend genannt wird. Dieser überträgt
die Temperatur als originärer Mess wert 09 an eine
nicht dargestellte Steuervorrichtung. Des weiteren umfassen die
Komponenten einen Lüftermotor 01, der mittels
eines angepassten Spannungssollwerts 10, der durch einen
Gleichspannungssteller 02 in eine angepasste Lüfterspannung 16 umgewandelt
wird, drehzahlgesteuert wird. Der angepasste Spannungssollwert 10 des
Lüfters geht aus einem normierten Spannungssollwert der
Regel- und Steuervorrichtung hervor, die durch einen nicht dargestellten
Spannungssollwertkonverter zuvor umgewandelt wurde. Schließlich
beinhalten die Komponenten einen in diesem Fall als Lichtschranke
konzipierten Drehzahlgeber 17, der die Umdrehung des Lüfterrades
misst, und ein originäres Drehzahlgebersignal zu einem nicht
dargestellten Drehzahlimpulskonverter leitet, die daraus ein normiertes
Drehzahlgebersignal zur weiteren Verarbeitung in der Regel- und
Steuervorrichtung wandelt.
-
3 stellt zwei Schaltungen gewöhnlicher Steuervorrichtungen
des Stands der Technik zur Steuerung von PC Lüftern dar.
In 3a ist eine sehr einfache Steuervorrichtung dargestellt,
die mittels eines PWM Signals und mit Hilfe eines Feldeffekttransistors
direkt einen Lüfter ansteuert. Je nach Breite der PWM-Signale
erhöht sich die Drehzahl des Lüfters bis zur Maximaldrehzahl.
Dabei weißt die Schaltung keinen Regelkreis auf, so dass
weder Drehzahl noch Stillstandssignal bei der Ansteuerung beachtet werden.
Somit kann die Schaltung den Lüfter nur mittels einer vorher
festgelegten Spannungs-Drehzahl-Kennlinie ansteuern. Die in 3b dargestellte Schaltung
erweitert die Steuerungsvorrichtung nach 3a dadurch,
dass eine Drehzahlgebersignal TACH vom Lüfter an das Steuerungs-IC
zurückgeliefert wird. Jedoch ist dieses Steuerungs-IC so
konfiguriert, dass es unmittelbar den Lüfter ansteuert,
so dass bei Austausch des Lüfters durch einen Lüfter anderer
technischer Spezifikation ebenfalls das Steuerungs-IC ausgetauscht
werden muss beziehungsweise die Ansteuerungsschaltung zu ändern ist.
-
Allen
erfindungsgemäßen Ausführungsformen der
Steuerungsvorrichtung ist gemein, dass sie einen Drehzahlimpulskonverter 04 aufwei sen.
Dieser Drehzahlimpulskonverter 04 hat die Aufgabe, originäre
Drehzahlgebersignale 13 verschiedenster Drehzahlgeber 17 in
normierte Drehzahlgebersignale 15 umzuwandeln. Beispiele
solcher originärer Drehzahlgebersignale 13 sind
Open Collector/Open Drain Ausgänge, Push/Pull-Ausgänge
oder Nadelimpulsausgänge. Die in 4 dargestellte
Schaltung stellt ein Ausführungsbeispiel eines Drehzahlimpulskonverters 04 dar,
wobei die Impulsauswertung durch die Verwendung einer differenzierenden
Schaltung realisiert wird. Durch die Auswertung der Flanken des
originären Drehzahlgebersignals 15 wird eine Transistorstufe
angesteuert, die die notwendige Spannung zur Erzeugung des normierten
Drehzahlgebersignals 15 bereitstellt. Zur Ansteuerung des
in 4 dargestellten Feldeffekttransistors kommt dabei
ein RC-Spannungsteilernetzwerk mit einer Diode, welche einen schnellen
Energiezufluss und einen langsamen Energierückfluss gewährleistet,
zum Einsatz. Durch geeignete Dimensionierung des Anpassungsnetzwerks,
bestehend aus Widerständen R1 bis R5, Kapazitäten
C1 und C2 und Diode D1, und des Feldeffekttransistors ist es aufgrund
der geringen Bauteilzahl leicht möglich, den Drehzahlimpulskonverter 04 günstig
und schnell an alle möglichen originären Drehzahlgebersignale 13 anzupassen.
-
5 stellt
ein Diagramm des Zusammenhangs zwischen PWM-Signal als normiertes
Spannungssollwertsignal 11 und der vom Spannungssollwertkonverter 03 und
Spannungssteller 02 gelieferten angepassten Lüfterspannung 16 des
Lüfters 01 dar. Dabei stellt die Versorgungsspannung
der Rechenanlage eine maximale Spannung Umax zur
Verfügung, und die minimale Spannung, die einen Lüfter zum
Andrehen benötigt, ist als Umin festgelegt.
Im BIOS der Rechenanlage sind hierzu abweichende minimale und maximale
Spannungen als BIOS:Umin und BIOS:Umax festgelegt, die die beiden PWM-Grenzsignale
PWMmin und PWMmax definieren. Die
Regel- und Steuervorrichtung 05 regelt den normierten Spannungssollwert
in Abhängigkeit einer gewünschten Drehzahl, die
wiederum von der Temperatur des zu kühlenden Gegenstands
abhängt und kann beispielsweise mithilfe eines Drehzahl
= 0-Signals 12 durch Verschiebung der unteren Grenze PWMmin alterungsbedingte Variationen der Drehzahl des
Lüfters adaptiv korrigieren.
-
Hierzu
zeigt 6 die Änderung der Haftreibungskraft
Fh und der Gleitreibungskraft Fg in
Abhängigkeit von der Drehzahl n bei alterungs- oder verschleißbedingter
Abnutzung des Lüfterlagers. Durch den Verschleiß verschieben
sich die Haft- und Gleitreibungskräfte zu höheren
Werten, so dass bei einer gewissen Drehzahl höhere Reibungskräfte
zu überwinden sind. Somit muss, um einen optimalen Betrieb
der Lüftervorrichtung zu gewährleisten, die Lüfterversorgungsspannung
entsprechend korrigiert werden, um bei einer gegebenen Temperatur
die gewünschte Drehzahl zu erreichen und einen genügend
hohen Wärmeabtransport sicherzustellen. Dies wird erfindungsgemäß durch
Rückkopplung des Drehzahlgebersignals erreicht, so dass
adaptiv höhere Versorgungsspannungen von der Steuervorrichtung
erzeugt werden können, um den höheren Reibungskräften
entgegenzuwirken.
-
7 stellt
schematisch in einem Blockschaltbild die wesentlichen Komponenten
eines ersten Ausführungsbeispiels der Erfindung dar. Durch einen
Drehzahlgeber 17 und ein Temperaturfühler 18 werden
originäre Betriebsgrößen wie beispielsweise Temperatur,
Versorgungsspannung und weitere Betriebsparameter 09 des
Lüfters 01, sowie ein originäres Drehzahlgebersignal 13 aufgenommen.
Das Drehzahlgebersignal 13 und die originären
Mess- und Betriebsparameter 09 werden einem Drehzahlimpulskonverter 04 und
einem Betriebsgrößenkonverter 07 zugeführt.
Diese beiden Konverter wandeln die originären Größen 09, 13 in
normierte Betriebsgrößen 14, ein normiertes
Drehzahlgebersignal 15 und ein Stillstandsignal 12 um,
die wiederum an die Regel- und Steuervorrichtung 05 übermittelt
werden. Die Regel und Steuervorrichtung berechnet in Abhängigkeit
dieser Eingangsdaten einen normierten Spannungssollwert 11,
der sicherstellt, dass der Lüfter mit einer solchen Drehzahl
rotiert, dass die Temperatur des zu kühlenden Gegenstandes
in einem gewünschten Bereich bleibt. Der normierte Spannungssollwert 11 wird
mithilfe eines Spannungssollwertkonverters 03 in einen
angepassten Spannungssollwert 10 gewandelt, der wiederum
mittels eines Gleichspannungsstellers 02 (nicht dargestellt)
in eine angepasste Lüfterspannung 16 umgewandelt
wird, mit der der Lüfter 01 betrieben wird. Somit
ist die Regel- und Steuervorrichtung 05 eingangsseitig
von den Betriebsgrößen- und Drehzahlerfassungskomponenten
durch Eingangskonverter (Betriebsgrößenkonverter 07,
Drehzahlimpulskonverter 04) getrennt, und ausgangsseitig
durch den Spannungssollwertkonverter 03 von Spannungssteller 02 und
Lüfter 01 abgekoppelt. Hierdurch kann bei Anpassung
der Eingangs- und Ausgangskonverter die Steuervorrichtung an jeden
beliebigen Lüfter 01, jeden Drehzahlgeber 17 und
jede Betriebsgrößenerfassungskomponente angeschlossen
werden. Dabei ist sehr wohl denkbar, dass die Eingangs- und Ausgangskonverter softwaremäßig
beispielsweise im Wandlerbereich oder in der Signalform angepasst
werden können.
-
8 stellt
eine zweite Ausführungsform der erfindungsgemäßen
Steuervorrichtung dar. Hierbei werden die originären Mess-
und Betriebsparameter 09 des Lüfters 01 über
einen Betriebsgrößenkonverter 07 an eine
Regel und Steuervorrichtung 05 geleitet und vom Lüfter 01 das
originären Drehzahlgebersignal 13 durch einen
Drehzahlimpulskonverter 04 in ein normiertes Drehzahlgebersignal 15 und
ein Stillstandssignal 12 (Lüfterdrehzahl = 0)
umgewandelt. Die Regel- und Steuervorrichtung 05 berechnet
hieraus einen normierten Spannungssollwert 11, der über
einen als Digital-Analog-Wandler ausgeführten Spannungssollwertkonverter 03 in
einen angepassten analogen Spannungssollwert 10 gewandelt
wird. Dieser analoge Spannungssollwert 10 steuert einen Spannungssteller 02,
der in Abhängigkeit der maximal verfügbaren Lüfterspannung
Umax und/oder des Lüfterstroms 09 eine
angepasste Lüfterspannung 16 erzeugt, die den
Lüfter 01 mit einer gewünschten Drehzahl
antreibt.
-
9 zeigt
ein Blockschaltbild einer dritten Ausführungsform einer
Steuerungsvorrichtung für Lüfter zum Kühlen
von Rechenanlagen. Die Vorrichtung umfasst einen Gleichspannungssteller 02,
der durch einen analogen angepassten Spannungssollwert 10 gesteuert
wird, und der den Gleichspannungslüfter 01 mit
der Lüfterspannung 16 versorgt. Der Gleichspannungssteller 02 kann
aus der von Umin bis Umax beliebig
steuerbaren Versorgungsspannung 09 die für den
Gleichspannungslüfter 01 zulässige Spannung
erzeugen. Ein als Digital-Analog-Wandler ausgeführter Spannungssollwertkonverter 03 formt hierzu
die von der Regel und Steuervorrichtung 05 ausgegebenen
normierten Spannungssollwerte 11 in die analogen angepassten
Spannungssollwerte 10 um. Ein Drehzahlimpulskonverter 04 formt
das originäre Drehzahlgebersignal 13 des Lüfters 01 in
ein normiertes Drehzahlgebersignal 15 und in ein Stillstandssignal 12 (Drehzahl
= 0) um. Dabei kann der Drehzahlimpulskonverter 04 Impulse
unterschiedlicher Gestalt und energetischer Beschaffenheit verarbeiten,
und ist in der Lage, das Drehzahl = 0-Signal als Stillstandssignal 12 zu
generieren. Originäre Betriebsgrößen 08 werden
durch ein als Chipsatz mit Bedienerinterface ausgeführten
Betriebsgrößenkonverter 07 der Regel-
und Steuereinheit 05 zur Verfügung gestellt, wobei
der Betriebsgrößenkonverter 07 die strom-,
temperatur- und spannungsabhängigen analogen Betriebsgrößen 09 in
digitale normierte Betriebsgrößen 14 umwandelt.
Die Regel- und Steuereinheit 05 berechnet den digitalen
Spannungssollwert 11 auf der Basis von durch den Anwender
in der Speichereinheit 06 abgelegten zulässigen
Spannungswerten des angeschlossenen Gleichspannungslüfter 01 und
den dazugehörigen Temperatur-, Strom-, Versorgungsspannungswerten
und/oder Leistungswerte des Chipsatzes, sowie auf Grundlage der
von der Mess- und Kommunikationseinheit 08 aufbereiteten
normierten Betriebsgrößen 14, die durch
Umformung der analogen originären Betriebsgrößen 09 entstanden
sind. Dabei korrigiert die Regel- und Steuereinrichtung 05 den
digitalen Spannungssollwert 11 durch das Stillstandssignal 12 und das
aufbereitete normierte Drehzahlgebersignal 15 gemäß des
festgelegten Betriebsmodus zum Ausgleich von Verschleißerscheinungen
des Lüfters 01.
-
In 10 wird
als vierte Ausführungsform eine Erweiterung der in 9 dargestellten
Konfiguration der dritten Ausführungsformen ge zeigt. Dabei sind
an die die Regel und Steuervorrichtung 05, die Speichereinheit 06,
die Mess- und Kommunikationsvorrichtung 08 und den Betriebsgrößenkonverter 07 (Chipsatz
mit Bedienerinterface) umfassenden Steuervorrichtung mehrere Digital-Analog-Wandler
als Spannungssollwertkonverter 03, mehrere Stellvorrichtungen 02 und
mehrere Lüfter 01 sowie mehrere Drehzahlimpulskonverter 04 angeschlossen.
Somit ist die vierte Ausführungsform in der Lage, mehrere Lüfter
mit unterschiedlichen technischen Spezifikationen und verschiedenen
zu kühlenden Wärmequellen , wie beispielsweise
CPU-Lüfter, Netzgerätelüfter, Grafikkartenchip-Lüfter
etc., mit nur einer einzigen Regel- und Steuervorrichtung 05 simultan
zu betreiben. Insbesondere in diesem Fall sind der Hardwareaufwand
und die Kosten für die Kühlung der Rechenanlage
dramatisch reduziert.
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste
der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert
erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information
des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen
Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt
keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-