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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Kühlvorrichtung, und genauer
gesagt auf eine einfache Temperatursteuerung für einen Kühlventilator.
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Derzeit
konzentriert sich die IT- und Unterhaltungselektronikindustrie auf
die Entwicklung von elektronischen Geräten mit Mehrfachfunktionen,
hoher Rechenleistung und kompakter Größe. Durch die hohe Anordnungsdichte
und die hohe Rechenleistung von elektronischen Komponenten entsteht
während
ihres Betriebs viel Wärme.
Eine Kühlvorrichtung ist
daher zur Vermeidung von Überhitzung
und zum Sicherstellen eines fehlerfreien Schaltungsbetriebs notwendig.
Der Kühlventilator
spielt in einer Kühlvorrichtung
eine wichtige Rolle, damit ein ausreichender Luftstrom zur Erhöhung des
Wärmeaustausches
erzeugt und eine wirkungsvolle Wärmeableitung
ermöglicht
wird.
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1 zeigt
schematisch den Aufbau eines herkömmlichen Kühlventilators 1, der
einen Ventilatormotor 11 und einen Ventilatortreiber 12 zum
Steuern des Betriebs des Ventilatormotors 11 umfasst. Der
Ventiatortreiber 12 ist entweder aus einem Treiber IC oder
einer MCU (Mikro-Kontroller-Einheit) aufgebaut und enthält jeweils
ein Hall-Element und einen Temperatursensor. Das Hall-Element und der Temperatursensor
ermitteln die Temperaturschwankung eines elektronischen Bauelementes,
und der Treiber-IC oder die MCU triggern den Ventilatormotor 11,
um ihn zu drehen, oder seine Drehzahl basierend auf den Temperaturschwankungen
einzustellen.
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Die
Größe von herkömmlichen
temperaturgesteuerten Drehzahlsteuerungen ist allerdings physikalisch
durch die Struktur der elektrischen Bauelemente und Verdrahtungen
beschränkt,
und sie kann nicht auf weniger als 6 cm reduziert werden. Daher genügt die herkömmliche
Bauart nicht dem aktuellen Entwicklungstrend hin zu leichtem Gewicht
und kompakten elektronischen Schaltungen. Auch ist die Servosteuerung
von herkömmlichen
Kühlventilatoren weder
schnell, stabil noch fehlerlos. Obwohl der Einsatz einer MCU dieses
Problem löst,
bedeutet deren Einbau eine zwei- bis dreifache Erhöhung der
Kosten im Vergleich zum herkömmlichen
Aufbau und ist darüber
hinaus nicht geeignet, die Baugröße der Kühlvorrichtung
auf weniger als 6 cm zu reduzieren.
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Es
ist daher eine Aufgabe der Erfindung die oben erwähnten Probleme
zu lösen.
Diese Probleme werden durch die Merkmale des unabhängigen An spruchs
gelöst.
Die Erfindung nutzt den einfachen Aufbau einer Temperatursteuerung,
die unmittelbar von außen
an einen Kühlventilatormotor
angeschlossen wird, um Temperaturschwankungen eines elektronischen
Bauelementes zu ermitteln, und um damit Spannungen zu überwachen
oder zu steuern und die Drehzahl des Ventilatormotors zu verringern.
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Darüber hinaus
stellt die Temperatursteuerschaltung für einen Kühlventilator im Gegensatz zu einer
MCU bei geringeren Kosten ähnlich
viele Steuerungsmöglichkeiten
zur Verfügung
und ermöglicht auch
noch eine geringere Baugröße, wodurch
sie zum Einsatz in kompakten elektrischen Geräten geeignet ist.
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Die
Erfindung löst
die oben genannten Probleme durch den Einsatz einer Temperatursteuerschaltung
für einen
Kühlventilator
mit einem Ventilatormotor, einem Treiber und einer Temperatursteuerschaltung.
Der Treiber ist an den Ventilatormotor angeschlossen. Die Temperatursteuerschaltung
ist an beide, den Ventilatormotor und den Treiber angeschlossen.
Die Temperatursteuerschaltung ermittelt die Temperaturschwankung
des elektrischen Bauelements und erzeugt eine Spannung oder ein
Spannungsabfallsignal, um die Drehzahl des Ventilatormotors zu reduzieren.
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In
den Zeichnungen zeigen:
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1 eine
Schaltung mit dem Aufbau eines herkömmlichen Kühlventilators;
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2 ein
Blockdiagramm mit einer Temperatursteuerung gemäß einer bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung;
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3 eine
Schaltung der Temperatursteuerung gemäß der bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung; und
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4 einer
Schaltung mit einer Temperatursteuerung gemäß einer weiteren bevorzugten
Ausführungsform
der Erfindung.
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2 zeigt
schematisch den Aufbau einer Temperatursteuerschaltung, die an eine
Halbwellenkonfiguration gemäß einem
bevorzugten Ausführungsbeispiel
der Erfindung angeschlossen ist. 3 zeigt
eine Schaltung mit einer einfachen Temperatursteuerung gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung. Wie in den 2 und 3 zu erkennen
ist, umfasst die Temperatursteuerung eines Kühlventilators einen Ventilatormotor 2,
einen Treiber 3 und eine Temperatursteuerschaltung 4,
die zusammen eine einfache und kostengünstige Regelung bilden und
von außen
an den Kühlventilator
angeschlossen werden. Dabei wird die Gesamtgröße des herzustellenden Kühlventilators
auf weniger als 4 cm reduziert und es werden Temperatursteuerungsmöglichkeiten ähnlich der
einer MCU realisiert.
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Die
Induktivitäten
L1 und L2 des oben beschriebenen Ventilatormotors 2 sind
elektrisch verbunden und werden durch den Treiber 3 betrieben. Die
Induktivitäten
L1 und L2 des Ventilatormotors 2 sind an den Ausgang des
Treibers 3 angeschlossen. Der Treiber 3 ermittelt
einen Anstieg der Temperatur des elektronischen Bauelements und
steuert die Größe des Stromes,
der den Induktivitäten
L1 und L2 aus seinem eigenen Ausgang zuführt wird, um die Drehzahl des
Ventilatormotors 2 einzustellen. Dabei bleibt die Drehzahl
hoch, wenn die Temperatur des elektronischen Bauelements ansteigt.
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Die
Temperatursteuerschaltung 4 umfasst mindestens ein Sensorelement 41,
ein erstes, zweites und drittes elektrisches Schaltelement (Transistor) 42, 43 und 44 und
eine Vielzahl von Widerständen
R1, R2 und R3, die gemeinsam eine Schaltung bilden. Die in Reihe
verbundenen Widerstände
R2 und R3 bilden zusammen mit dem ersten elektronischen Schaltelement 42 eine
Mindestdrehgeschwindigkeit-Temperatureinstellschaltung. Vorzugsweise wird
eine Mindesttemperatur von 30° bis
42° C vorgegeben.
Das Sensorelement 41 wird durch eines der folgenden Bauteile
realisiert: Einen Heißleiter (NTC-Widerstand),
einen Kaltleiter (PTC-Widerstand), einen Wärmekoppler oder ein Halbleiterelement.
Das Sensorelement 41 ist mit dem zweiten elektronischen
Schaltelement 43 verbunden und ändert den Stromes IB am zweiten
elektrischen Schaltelementes 43, wenn das Sensorelement 41 einen Temperaturabfall
des elektrischen Bauelementes (nicht gezeigt) ermittelt. Wenn sich
der Strom IB ändert,
so ändert
sich auch der Strom IC. Dies erzeugt eine Spannung an der Schaltung
zur Erzeugung eines Spannungsabfalls R1. Die Spannung schaltet dann
das dritte elektrische Schaltelement 44 zum Steuern des
Ventilatormotor 2, um seine Drehzahl zu reduzieren und
sie an die aktuelle Temperatur des elektrischen Bauelementes anzupassen.
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Die
Temperatursteuerschaltung 4, die in einem Kühlventilator
eingebaut ist, ermöglicht
es die physikalische Größe des Kühlventilators
wirkungsvoll auf weniger als 4 cm zu reduzieren und genügt damit dem
derzeitigen Trend zu kompakten Konstruktionen. Darüber hinaus
wird durch die Einstellung einer geeigneten Drehzahl im Zusammenhang
mit den Temperaturschwankungen eine Regelungswirkung erreicht, die
der einer kostspieligeren MCU gleicht.
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4 zeigt
einen Schaltplan mit einer Temperatursteuerschaltung eines Kühlventilators
gemäß einer
weiteren bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung, die in Vollwellenkonfiguration aufgebaut ist. Wie
in 4 gezeigt, ähnelt
die aktuelle Ausführung der
Ausführungsform
aus den 2 und 3 und unterscheidet
sich nur darin, dass die Induktivität L3 den Ventilatormotor 2 in
Vollwellenkonfiguration betreibt. Hier ist der Kühlventilator an die Temperatursteuerschaltung 4 angeschlossen,
z. B. über
den Treiber 3. Daher kann die Temperatursteuerschaltung 4 wie
in der vorherigen Ausführungsform
zur Ausgabe einer Spannung bzw. eines Spannungsabfallsignals gesteuert
werden, um den Ventilatormotor 2 zu triggern, damit seine
Drehzahl basierend auf den Temperaturschwankungen bzw. den Temperaturverringerungen
des elektrischen Bauelements reduziert wird, die von der Temperatursteuerschaltung 4 ermittelt
wurden. Dabei wird dem Benutzer eine kompaktere und billigere Temperatursteuereinheit
zur Anwendung in einem Kühlventilator
zur Verfügung
gestellt, dessen Steuerungsmöglichkeiten
denen einer kostspieligen MCU gleichen.
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3 und 4 zeigen
eine Temperatursteuerschaltung 4, die an einen Ventilatormotor 2 und an
eine Treiberschaltung 3 in Halbwellenkonfiguration oder
an eine Treiberschaltung 3 für einen Ventilatormotor 2 in
Vollwellenkonfiguration angeschlossen ist. Die Temperatursteuerschaltung 4 umfasst
eine Mindestdrehzahl-Temperatureinstellschaltung, eine Messschaltung,
eine Schaltung zur Erzeugung eines Spannungsabfalls und einen NPN-Transistor.
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Die
Mindestdrehzahl-Temperatureinstellschaltung besteht aus zwei Widerständen R2
und R3 sowie einem NPN-Transistor Q2 in Kollektorschaltung. Die
Widerstände
R2 und R3 bilden einen Basisspannungsteiler für den NPN-Transistor Q2. Dabei liegt der Widerstand
R3 zwischen Basis und Kollektor des Transistors Q2 und der Widerstand
R2 zwischen Basis des Transistors Q2 und Masse der Temperatursteuerschaltung 4.
Der Kollektor des Transistors Q2 ist an die Spannungsversorgung
VCC der Temperatursteuerschaltung 4 angeschlossen. Der
Emitter des Transistors Q2 gibt einen Strom aus, der über die Schaltung
zur Erzeugung eines Spannungsabfalls abließt und somit eine Mindestspannung
erzeugt.
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Die
Messschaltung besteht aus einem temperaturabhängigen Bauelement 41 und
einem PNP-Transistor Q4. Der Emitter des PNP-Transistors Q4 ist
an die Spannungsversorgung VCC der Temperatursteuerschaltung 4 angeschlossen.
Das temperaturabhängige
Bauelement 41 liegt in dieser Ausführungsform zwischen Basis des
PNP-Transistors Q4 und Masse der Temperatursteuerschaltung 4.
Der Kollektor des PNP-Transistors Q4 ist an den Emitter des PNP-Transistors
Q2 der Mindestdrehzahl-Temperatureinstellschaltung angeschlossen.
Das temperaturabhängige
Bauelement 41 muss so dimensioniert sein, dass es für niedrige
Temperaturen schlecht und für
hohe Temperaturen gut leitet. Das wird beispielsweise durch einen
Heißleiter
(NPC-Widerstand), einen Wärmekoppler
oder einen Halbleiter erreicht. Die Polung zwischen Emitter und
Basis am PNP-Transistor Q4 ermöglicht
prinzipiell ständig
einen Strom IB von seinem Emitter zu seiner Basis. Bei niedrigen
Temperaturen leitet das temperaturabhängige Bauelement 41 schlecht.
Daher kommt auch fast kein Strom IB durch das temperaturabhängige Bauelement
zustande. Bei hohen Temperaturen jedoch sinkt der Widerstand des
temperatuabhängigen
Bauelements 41, und somit steigt der Strom IB durch dieses
an, sodass die Sperrzone zwischen Basis und Kollektor im PNP-Transistor
Q4 verkleinert und ganz aufgehoben wird. Dadurch wird auch ein Strom
IC über
seinen Kollektor möglich,
der über
die Schaltung zur Erzeugung eines Spannungsabfalls abfließt. Somit
wird erreicht, dass bei niedrigen Temperaturen kein Strom IC über den
Kollektor des PNP-Transistors Q4 abfließt und bei hohen Temperaturen
ein von der Temperatur am temperaturabhängigen Bauelement 41 abhängiger Strom
IC über
den Kollektor abfließt.
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Alternativ
kann die Messschaltung, wie oben beschrieben aus einem NPN-Transisor und einem temperaturabhängigen Bauelement
aufgebaut sein. Dabei muss sein Kollektor an die Spannungsversorgung
VCC der Temperatursteuerschaltung 4 und sein Emitter an
den Emitter des PNP-Transistors Q2 der Mindestdrehzahl-Temperatureinstellschaltung
angeschlossen werden. Das temperaturabhängige Bauelement 41 muss
hierbei auch zwischen den Spannungsversorgung der Temperatursteuerschaltung 4 und
der Basis des PNP-Transistors
Q2 geschaltet werden. Auf diese Weise entsteht eine Messschaltung
mit den gleichen Eigenschaften wie die, die vorher beschrieben worden
ist.
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Die
Schaltung zur Erzeugung eines Spannungsabfalls wird durch einen
Widerstand R1 realisiert. Sie liegt zwischen dem Emitter des PNP-Transistors
Q2 bwz. dem Kollektor/Emitter des Transistors Q4 einerseits und
Masse der Temperatursteuerschaltung 4 andererseits. Dabei
fließt über sie
ein Strom ab, der von beiden, der Mindestdrehzahl-Temperatureinstellschaltung
und von der Messschaltung ausgegeben wird.
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Die
Basis eines dritten NPN-Transistors Q1 ist ebenfalls an den Emitter
des PNP-Transistors Q2 sowie den Kollektor/Emitter des Transistors
Q4 angeschlossen. Der Kollektor des NPN-Transistors Q1 liegt an
der Spannungsversorgung VCC der Temperatursteuerschaltung 4.
Der Emitter NPN-Transistors Q1 bildet den Ausgang der Temperatursteuerschaltung 4 und
ist entweder an den Ventilatormotor 2 in Halbwellenkonfiguration
oder an die Treiberschaltung 3 in Vollwellenkonfiguration
des Ventilatormotors 2 angeschlossen. Durch die Mindesdrehzahl-Temperatureinstellschaltung
liegt zwischen Basis und Emitter des PNP-Transistors Q1 immer mindestens
eine vorbestimmte Spannung an. Somit wird der PNP-Transistor Q1
immer für
einen minimalen Kollektorstrom I1 geöffnet. Fließt zusätzlich ein höherer Strom
IC durch die Schaltung zur Erzeugung eines Spannungsabfalls, so
wird der PNP-Transistor Q1 für
einen stärkeren
Kollektorstrom I1 geöffnet, und
umgekehrt.