DE4024046A1 - Drehzahlsteuerung fuer durch kollektorlose gleichstrommotoren angetriebene ventilatoren - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Drehzahlsteuerung für durch einen kollektorlosen Gleichstrommotor angetriebenen Ventilator. Die Drehzahl des Motors und damit des Ventilators wird hierbei in Abhängigkeit der Lufttempera­ tur gesteuert, wobei einer unteren festgelegten Grenztem­ peratur eine Mindestdrehzahl und einer oberen festgelegten Grenztemperatur die Maximaldrehzahl zugeordnet ist. Zwischen diesen Temperaturbereichen ändert sich die Dreh­ zahl proportional zur Temperatur, so daß sich insgesamt innerhalb dieser Grenzen ein etwa linearer Anstieg bzw. Abfall der Drehzahl bei Änderung der Temperatur ergibt. Unterhalb der unteren Grenztemperatur arbeitet der Ventilator mit einer festgelegten Mindestdrehzahl und oberhalb der oberen Grenztemperatur mit seiner Maximal­ drehzahl.

Diese von der Temperatur abhängige Steuerung der Drehzahl bewirkt, daß bei relativ niedriger Temperatur eine niedrige Drehzahl vorliegt und damit ein ausreichender aber relativ geringer Luftvolumenstrom durch den Ventilator gefördert wird. Bei steigender Temperatur nimmt die Drehzahl und damit die Förderleistung des Ventilators bis zu einem Maximalwert zu.

Diese Betriebsweise des Motors bzw. des Ventilators ist besonders dann von Vorteil, wenn das Gerät z. B. zur Kühlung von elektronischen Bauelementen in EDV-Anlagen eingesetzt wird, bei denen sich das Gerät in unmittelbarer Nähe des Arbeitsplatzes befindet, da hier aus arbeitsphy­ siologischer Sicht die Forderung im Raum steht, den Ge­ räuschpegel möglichst niedrig zu halten.

Da die in EDV-Anlagen eingebauten Ventilatoren jedoch in der Lage sein müssen, auch thermische Spitzenbelastungen zu bewältigen, sind sie dieser Belastung entsprechend ausgelegt und bilden deshalb eine nicht unerhebliche Geräuschquelle. In Zeiten mit geringer thermischer Belastung sind sie jedoch überdimensioniert und könnten an den verringerten Kühlluftbedarf durch Verringerung der Drehzahl mit damit verbundener verringerter Geräuschent­ wicklung, angepaßt werden.

Die Erfindung hat sich deshalb die Aufgabe gestellt, für Motoren kleiner Leistung eine kostengünstige Lösung für die Anpassung des Kühlluftbedarfs bei sich ändernder thermischen Belastung anzugeben.

Die Lösung dieser Aufgabe gelingt dadurch, daß der Schalt­ zustand eines Verstärkers auf Grund eines in den Luftweg des Ventilators geschalteten temperaturabhängigen Widerstandes, dessen Widerstandswert sich bei Zu- oder Abnahme der thermischen Belastung ändert, beeinflußt wird und mittels eines Ausgangssignals den Stromfluß durch ein in Reihe mit den Statorwicklungen liegendens Halbleiterschaltelement steuert. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen enthalten.

Eine Treiberschaltung für einen kollektorlosen Gleich­ strommotor, die eine Veränderung der Drehzahl, ausgehend von einer Minimaldrehzahl bis zu einer Maximaldrehzahl in Abhängigkeit der thermischen Belastung vornimmt, ist be­ reits aus der DE-OS 38 17 870 bekannt. Diese Schaltung enthält u. a. eine steuerbare Stromquelle. Durch Verände­ rung des von der Stromquelle gelieferten Stromes ist es möglich, in Abhängigkeit einer von einem NTC-Widerstand erfaßten Temperatur, eine Temperatur-Drehzahl-Kennlinie vorzugeben.

Die Erfindung wird nun im folgenden anhand der beiliegen­ den Figuren erläutert. Dabei zeigt

Fig. 1 ein Schaltbild der Steuerschaltung,

Fig. 2 eine Kennlinie zur Darstellung der Abhängigkeit von Temperatur und Drehzahl.

In Fig. 1 ist mit L1, L2, L3 eine im Dreieck verschaltete Statorwicklung eines kollektorlosen Gleichstrommotors be­ zeichnet, die über Anschlußleitungen (7, 8, 9) mit der Kom­ mutierungsschaltung (1) verbunden sind.

Diese Kommutierungsschaltung (1) ist über die Motoran­ schlußleitung (2) an den Emitter eines Halbleiterschalt­ elementes (6) angeschlossen, dessen Kollektor mit dem positiven Pol (4) der Spannungsquelle verbunden ist und über die Anschlußleitung (3) an den negativen Pol (5) der Spannungsquelle. Die Basis des Halbleiterschalters (6) ist an der Kathode einer Zenerdiode (11), deren Anode mit dem Ausgang eines Verstärkers (12) verbunden ist, angeschlos­ sen und einem Widerstand (10), der in Reihe zur Zener­ diode (11) liegt und dessen zweiter Anschluß sowohl mit dem positiven Pol (4) der Spannungsquelle als auch mit dem Kollektor des Halbleiterschalters (6) verbunden ist.

Der Verstärker (12) ist als nicht invertierender Operationsverstärker ausgeführt. Der nicht invertierende Eingang (21) dieses Operationsverstärkers (12) ist über einen Widerstand (13) an den negativen Pol (5) der Spannungsquelle angeschlossen und über den Widerstand (14), der zusammen mit dem Widerstand (13) einen Spannungsteiler zur Erzeugung einer Referenzspannung (U_REF) bildet, an den Ausgang (20) einer stabilisierten Spannungsquelle (23), an die auch der positive Versorgungsspannungsanschluß des Operationsverstärkers (12) angeschlossen ist.

Der invertierende Eingang (22) des Operationsverstärkers (12) ist über einen Widerstand (15) mit negativem Tempe­ raturkoeffizienten (NTC) mit dem negativen Pol (5) der Versorgungsspannung verbunden und über den Widerstand (16) an die Verbindung von Emitter des Halbleiterschaltelemen­ tes (6) und Kommutierungsschaltung (1) angeschlossen. Die Widerstände (16) und (15) bilden einen veränderbaren Spannungsteiler zur Beeinflussung des Schaltzustandes des Operationsverstärkers (12).

Die stabilisierte Spannungsquelle (23) wird durch die Reihenschaltung von Diode (18), Widerstand (17) und Zenerdiode (19) gebildet. Hierbei ist die Anode der Diode (18) mit dem positiven Pol (4) der Spannungsquelle ver­ bunden, ihre Kathode mit dem einen Ende des Widerstandes (17), das andere Ende des Widerstandes (17), das den Aus­ gang (20) der stabilisierten Spannungsquelle (23) bildet, mit der Kathode der Zenerdiode (19) und deren Anode mit dem negativen Pol (5) der Spannungsquelle.

Die Funktionsweise der Schaltung nach Fig. 1 ist folgen­ dermaßen:
Eine bekannte Kommutierungsschaltung (1) steuert die Statorwicklung L1 bis L3 eines bürstenlosen Gleichstrom­ motors in Abhängigkeit von Ausgangssignalen eines nicht dargestellten Rotorstellungssensors, der seine Signale aus der Stellung der Rotormagnete während der Drehung des Rotors ableitet. Diese Kommutierungsschaltung liegt über die Motoranschlußleitung (2) an einem Halbleiterschalte­ lement (6), das als Transistor, insbesondere als Darling­ tonstufe ausgebildet ist und dessen Basis über eine Zenerdiode mit dem Ausgang eines rückgekoppelten Operationsverstärkers (12) verbunden ist.

Der Schaltzustand dieses Operationsverstärkers (12) beeinflußt die Höhe der an der Kommutierungsschaltung anliegenden Motorspannung und damit den Motorstrom. Diese Beeinflussung wird indirekt durch einen NTC-Widerstand (15) erreicht, der im Luftstrom des Ventilators und damit im Luftstrom des zu kühlenden Gerätes untergebracht ist. NTC-Widerstände haben die Eigenschaft, daß sich ihre Widerstandswerte bei Erwärmung sehr stark verringern. Dieser Effekt wird hier dazu benutzt, die Eingangsspan­ nung U_N am invertierenden Eingang (22) eines nicht in­ vertierenden Operationsverstärkers zu beeinflussen. Hierzu liegt am nicht invertierenden Eingang (21) des Operations­ verstärkers (12) eine Referenzspannung (U_Ref) von ca. 7 V an, die am gemeinsamen Verbindungspunkt (24) des Span­ nungsteilers, gebildet aus den Widerständen (14) und (13), abgegriffen wird.

Beim Betrieb des Ventilators bei niedriger thermischer Belastung der Anlage ist der temperaturabhängige Wider­ stand (15) relativ hochohmig. Dadurch liegt die Ausgangs­ spannung (U_A) des über die Zenerdiode (11), die Basis- Emitter-Strecke des Transistors (6) bzw. Widerstand (10) und Kollektor-Emitter-Strecke und den Widerstand (16) rückgekoppelten Operationsverstärkers (12) im Bereich des Null- bzw. Massepotentials.

Da sich die Basisspannung des in Kollektorschaltung be­ triebenen Halbleiterschaltelementes (6) aus der Addition von Zenerspannung (U_Z) der Zenerdiode (11) und Ausgangs­ spannung des Operationsverstärkers (12) zusammensetzt, liegt sie nun auf dem Wert der Zenerspannung (U_Z) von etwa 13,5 V der verwendeten Zenerdiode (11). Diese Spannung wird um die 0,6 V der Basis-Emitter-Durchlaßspannung des Transistors (6) verringert und liegt an der Kommutierungsschaltung (1) an.

Der Motor erreicht bei dieser Spannung seine Minimaldreh­ zahl, die aufgrund der Zenerspannung der Zenerdiode (11) nicht unterschritten werden kann. Der Wert der Zenerspan­ nung ist hierbei für die Festlegung der Mindestdrehzahl verantwortlich.

In Fig. 2 ist die Drehzahl-Kennlinie in Abhängigkeit der Temperatur T dargestellt. Der Bereich der Mindestdrehzahl n_min liegt hier unterhalb der Temperatur T1.

Mit zunehmender thermischen Belastung der Anlage steigt die Temperatur des zu kühlenden Luftstromes an. Hierdurch wird der temperaturabhängige Widerstand (15) erwärmt, was zur Folge hat, daß sein Widerstand abnimmt. Dadurch erhöht sich der Verstärkungsfaktor des rückgekoppelten Opera­ tionsverstärkers (12), so daß seine Ausgangsspannung (U_A) etwa linear mit der Temperaturerhöhung des temperaturab­ hängigen Widerstandes (15) zunimmt. Dies führt zu einer Erhöhung der bisherigen Eingangsspannung (U_E) an der Basis des Transistors (6) um den Wert der Ausgangsspannung (U_A) des Operationsverstärkers (12). Nun liegt diese Eingangs­ spannung (U_E), um den Wert der Basis-Emitter-Durchlaß­ spannung vermindert, an der Kommutierungsschaltung des Motors an. Auf Grund der zunehmenden Motorspannung nimmt die Drehzahl des Motors linear mit dieser zu. Dieser An­ stieg ist in der Fig. 2 im Bereich zwischen den Tempera­ turen T1 und T2 dargestellt. Aufgrund der Zunahme der Eingangsspannung (U_E) an der Basis des Transistors (6) er­ folgt auch eine Zunahme des Kollektorstromes, der einen erhöhten Spannungsabfall am Motor hervorruft und strom­ gegenkoppelnd wirkt, bis sich eine Basis-Emitter-Spannung am Transistor (6) von ca. 0,6 V eingestellt hat.

Bei weiter zunehmender thermischen Belastung der Bauele­ mente der Anlage wird die Temperatur innerhalb der Anlage und damit die Temperatur des temperaturabhängigen Wider­ standes weiter zunehmen.

Dadurch erfolgt eine weitere Absenkung des Widerstandes dieses Bauelementes. Bei Erreichen einer vorgegebenen Grenztemperatur erreicht die Ausgangsspannung (U_A) des Operationsverstärkers (12) ihren Maximalwert, der die Basisspannung des Transistors (6) im Zusammenwirken mit der Zenerdiode (11) soweit anhebt, daß der Motor und damit der Ventilator mit maximaler Drehzahl läuft und somit den maximal möglichen Luftvolumenstrom fördern kann.

In der Fig. 2 wird die maximal mögliche Drehzahl bei der Temperatur T2 erreicht.

Bei Abnahme der thermischen Belastung der Anlage erfolgt eine entsprechende Abnahme der Temperatur des temperatur­ empfindlichen Widerstandes, wobei dessen Widerstandswert wieder zunimmt. Dies führt zu einer Verringerung der Aus­ gangsspannung des Operationsverstärkers (12) und damit zu einer entsprechenden Abnahme der Drehzahl gemäß Fig. 2.

Die Erfindung ist nicht auf die dargestellte Ausführungs­ form beschränkt. Vielmehr legt es auch im Rahmen der Er­ findung, den Widerstand (16) durch einen Widerstand mit positivem Temperaturkoeffizienten (PTC) zu ersetzen und anstelle des Widerstandes (15) einen geeignet dimensio­ nierten Festwiderstand einzusetzen. Die Funktionsweise der Schaltung ändert sich dadurch nicht.

Claims (16)

1. Drehzahlsteuerung zur temperaturabhängigen Steuerung des Kühlluftbedarfs einer thermisch belasteten Anla­ ge, insbesondere einer EDV-Anlage mittels eines von einem kollektorlosen Gleichstrommotor angetriebenen Ventilators, dessen Drehzahl in Abhängigkeit des Widerstandes eines temperaturabhängigen Bauelementes zu- oder abnimmt, dadurch gekennzeichnet, daß das temperaturabhängige Bauelement den Schaltzustand eines Verstärkers (12) beeinflußt, dessen Ausgangs­ signal im Zusammenwirken mit einer an seinen Ausgang angeschlossenen Zenerdiode (11) den Stromfluß durch ein in Reihe mit den Statorwicklungen liegenden Halbleiterschaltelementes (6) steuert.

2. Drehzahlsteuerung nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß sich die anliegende Motorspannung im wesentlichen aus der Addition von Ausgangsspannung (U_A) des Verstärkers (12) und der Zenerspannung (U_Z) der Zenerdiode (11) zusammensetzt.

3. Drehzahlsteuerung nach Anspruch 1 und 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß das temperaturabhängige Bauelement (15) den Schaltzustand des Verstärkers (12) derart beeinflußt, daß er bei geringer thermischer Belas­ tung der Anlage ein Ausgangssignal abgibt, das sich im Bereich des Null- bzw. Massepotential bewegt, und daß er bei hoher thermischer Belastung der Anlage ein Ausgangssignal abgibt, das seiner Maximalspan­ nung entspricht.

4. Drehzahlsteuerung nach den Ansprüchen 1 bis 3, da­ durch gekennzeichnet, daß die Minimaldrehzahl durch die Höhe der Zenerspannung (U_Z) der Zenerdiode (11) festgelegt ist.

5. Drehzahlsteuerung nach den Ansprüchen 1 bis 3, da­ durch gekennzeichnet, daß der Verstärker (12) als Operationsverstärker ausgebildet ist, dessen nicht invertierender Eingang mit einer stabilisierten Spannungsquelle (23) verbunden ist und an dessen invertierenden Eingang das temperaturabhängige Bau­ element (15) angeschlossen ist.

6. Drehzahlsteuerung nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das temperaturabhängige Bauelement (15) als Widerstand mit negativem Temperaturkoeffizienten (NTC-Widerstand) ausgeführt und einendig mit dem negativen Pol (5) der Spannungsquelle verbunden ist, daß das andere Ende sowohl mit dem invertierenden Eingang des Opera­ tionsverstärkers (12) als auch mit einem Widerstand (16) verbunden ist, dessen zweiter Anschluß an die Verbindung zwischen Emitter des Halbleiterschalt­ elementes (6) und Kommutierungsschaltung (1) angeschlossen ist.

7. Drehzahlsteuerung nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das temperaturabhängige Bauelement (15) als Widerstand mit positivem Temperaturkoeffizienten (PTC-Widerstand) ausgeführt und einendig an die Verbindung zwischen Emitter des Halbleiterschaltelementes (6) und Kommutierungs­ schaltung (1) angeschlossen ist, daß es anderendig sowohl mit dem invertierenden Eingang des Operati­ onsverstärkers (12) als auch mit einem Festwider­ stand verbunden ist, dessen zweiter Anschluß an den negativen Pol (5) der Spannungsquelle angeschlossen ist.

8. Drehzahlsteuerung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß an den nicht invertie­ renden Eingang des Operationsverstärkers eine Refe­ renzspannung (U_Ref) angelegt ist.

9. Drehzahlsteuerung nach Anspruch 8, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Referenzspannung (U_Ref) am gemein­ samen Verbindungspunkt (24) zweier einen Spannungs­ teiler bildenden Widerstände (14, 13) abgegriffen wird.

10. Drehzahlsteuerung nach den Ansprüchen 8 und 9, da­ durch gekennzeichnet, daß das zweite Ende des Span­ nungsteiler-Widerstandes (13) mit dem negativen Pol (5) der Spannungsquelle verbunden ist.

11. Drehzahlsteuerung nach den Ansprüchen 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß das zweite Ende des Spannungsteiler-Widerstandes (14) mit dem Ausgang (20) einer stabilisierten Spannungsquelle verbunden ist.

12. Drehzahlsteuerung nach einem oder mehreren der An­ sprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die stabilisierte Spannungsquelle durch die Reihen­ schaltung einer Diode (18) eines Widerstandes (17) und einer Zenerdiode (19) gebildet wird.

13. Drehzahlsteuerung nach Anspruch 12, dadurch geken­ nzeichnet, daß die Anode der Diode (18) mit dem positiven Pol (4) der Spannungsquelle verbunden ist, ihre Kathode mit dem einen Ende des Wider­ standes (17), das andere Ende des Widerstandes (17), das den Ausgang (20) der stabilisierten Spannungsquelle (23) bildet, mit der Kathode der Zenerdiode (19) und deren Anode mit dem negativen Pol (5) der Spannungsquelle.

14. Drehzahlsteuerung nach einem oder mehreren der An­ sprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgangsspannung (U_A) des Operationsverstärkers (12) über das Halbleiterschaltelement (6) auf den invertierenden Eingang des Operationsverstärkers rückgekoppelt ist.

15. Drehzahlsteuerung nach einem oder mehreren der vor­ hergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Halbleiterschaltelement (6) als Transistor­ stufe ausgebildet ist, die in Kollektorschaltung arbeitet.

16. Drehzahlsteuerung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Transistorstufe als Darlingtonstufe ausgebildet ist.