Verfahren und Schaltungsanordnung zum Regeln von Ventilatoren

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Schaltungsan¬ ordnung zum Regeln von Ventilatoren gem ß der Oberbegriffe der Ansprüche 1 bzw. 2.

Bei Stromversorgungen mit Ventilatorkühlung wird oft die Ge- räuschentwicklung als zu laut empfunden. Diese Geräuschent¬ wicklung hängt unter anderem von der Drehzahl des Ventilators ab. Diese Drehzahl ist von der Art der Achslagerung und wei¬ teren mechanischen und elektrischen Toleranzen abhängig. Da die zu kühlenden Bauteile einen Mindestluftstrom und daher eine Mindestdrehzahl des Ventilators erfordern, darf diese minimale Drehzahl durch eine minimale Ventilatorbetriebs¬ spannung nicht unterschritten werden.

Bei der Einstellung der minimalen Ventilatorbetriebsspannung ist die Drehzahltoleranz des Ventilators zu berücksichtigen. Die minimale Ventilatorbetriebsspannung muß daher in der Weise eingestellt werden, daß die Nenndrehzahl um die Dreh¬ zahltoleranz höher ist als die minimale Drehzahl. Ein weite¬ res Problem ist, daß die minimale Ventilatorbetriebsspannung im Datenblatt des Herstellers aus Toleranzgründen meist re¬ lativ hoch angesetzt ist. Aus diesen Gründen liegt bei gerin¬ gem Kühlbedarf im typischen Fall die Drehzahl eines solchen Ventilators höher, als für die Aufgabe der Kühlung erforder¬ lich wäre.

Zur Absenkung der Drehzahl des Ventilators ist allgemein be¬ kannt, teure Ventilatoren mit Kugellager einzusetzen, da diese Ventilatoren eine kleinere Drehzahltoleranz haben und deshalb die nötige Drehzahlreserve kleiner sein kann. Nach- teilig hierbei ist, daß das Problem der minimalen Ventilator¬ betriebsspannung durch diese Maßnahme nicht behoben ist. Eine Drehzahlregelung bei einem preisgünstigen Standardventilator

_Λ „, _DO PCT/DE95/01225 O 96/09688

2 ist mit herkömmlicher Technologie, beispielsweise mit einem Drehzahlsensor, einem Frequenz/Spannungswandler, einem Soll/Istwertvergleicher und einer Leistungsendstufe, zu teuer.

Um die Drehzahl eines elektronisch kommutierten Ventilators zu erfassen, ist bekannt, die Kurvenform des Eingangsstromes auszuwerten. Bei jeder vollen Umdrehung des Ventilatorrotors werden die Erregerwicklungen je nach Position des Rotors mehrmals ein- und ausgeschaltet. Diese SchaltVorgänge sind als Stromsprünge großer Steilheit im Eingangsstrom erkennbar. Sie werden in SpannungsSprünge umgewandelt und können nach einer Hochpaßfilterung und Signalformung als Ersatz für die Signale eines Drehzahlsensors verwendet werden. Auf eine solche Methode ist beispielsweise in dem im Industrie-Anzei¬ ger, 41/93, Seiten 46 und 47 erschienen Artikel: "Postmoderne Maßnahme" von Eduard Rüsing Bezug genommen.

Aufgabe der Erfindung ist es, zum Regeln von Ventilatoren, beispielsweise solchen für die Kühlung von Bauelementen in

Stromversorgungen, ein Verfahren und eine Schaltungsanordnung der eingangs genannten Art anzugeben, durch die die ge¬ forderten Kriterien erfüllt werden und der Aufwand minimal ist.

Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren gelöst, das die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebenen Verfahrens- schritte aufweist. Ferner wird diese Aufgabe durch eine Schaltungsanordnung gelöst, die die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 2 angegebenen Merkmale aufweist.

Gemäß der vorliegenden Erfindung wird dieses Signal als je¬ weiliger Startimpulsgeber auf eine Impulserzeugerschaltung geführt, die pro Startimpuls einen monostabilen Auεgangsim- puls gleicher Länge erzeugt. Die von der ImpulserzeugerSchal¬ tung erzeugten monostabilen Ausgangssimpulεe laden und ent¬ laden in Summe über eine unsymmetrische Widerstandsbeschal-

tung eine Speicherkomponente. Die beim Laden und Entladen erzeugten Ladezustandsänderungen bei der Speicherkomponente werden von einem Verstärker erfaßt und zur Regelung des Ven¬ tilators herangezogen.

Die Schaltungsanordnung weist eine Impulserzeugerschaltung für monostabile Ausgangsimpulse mit jeweils gleicher Länge auf, wobei im eingeschwungenen Zustand für eine vorgegebene Nenndrehzahl des Ventilators zwischen den einzelnen monosta- bilen Impulsen Pausen vorhanden sind. Die Schaltungsanordnung weist ferner eine unsymmetrische Widerstandsbeschaltung auf, die zwischen der Impulserzeugerschaltung und einer Speicher¬ komponente angeordnet is . Die Speicherkomponente wird durch die monostabilen Impulse des Impulsformers und durch die Pau- sen zwischen den jeweiligen Impulsen geladen und entladen. Die unsymmetrische Widerstandsbeschaltung sorgt für unter¬ schiedliche Geschwindigkeiten beim Laden bzw. Entladen der Speicherkomponente.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand von Unteransprüchen.

Ist die Länge der von der Impulserzeugerschaltung erzeugten monostabilen Impulse einstellbar, ist die Nenndrehzahl des Ventilators einstellbar. Erfolgt die Einstellung der Länge der vom Impulserzeuger erzeugten monostabilen Impulse durch ein temperaturabhängiges Bauteil, ist eine temperaturabhän¬ gige Regelung der Nenndrehzahl des Ventilators möglich.

Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen

Figur 1 eine Schaltungsanordnung einer Ventilatordrehzahl- regelung gemäß der Erfindung in Prinzipdarstellung und

Figur 2 mehrere wesentliche Spannungsverläufe an verschie¬ denen Punkten der Schaltungsanordnung nach Figur 1.

Die Schaltungsanordnung gemäß Figur 1 zeigt einen Ventilator V, der mit einer Spannung UI versorgt wird. Auf einer An¬ schlußseite des Ventilators V ist in Reihe zum Ventilator V ein Vorwiderstand RS angeordnet, der mit seiner freien An¬ schlußseite mit einer VersorgungsSpannung üb verbunden ist. Auf der anderen Anschlußseite des Ventilators V ist eine Ver- Stärkerschaltung T ebenfalls in Reihe mit dem Ventilator V angeordnet. Bei der Verstärkerschaltung T handelt es sich ge¬ mäß dem Ausführungsbeispiel um einen pnp-Transistor, dessen Emitteranschluß mit dem Ventilator V, dessen Kollektoran¬ schluß mit einem Massebezugspunkt der Schaltungsanordnung und dessen Basisanschluß mit einer Speicherkomponente Cg verbun¬ den ist. Der Basisanschluß des Transistors wird mit einer Spannung Ug versorgt. Die Speicherkomponente Cg ist auf den Massebezugspunkt der Schaltungsanordnung bezogen geschaltet. Gemäß dem Ausführungsbeispiel ist sie durch einen Kondensator gebildet.

Parallel zum Vorwiderstand RS ist eine Auswerteschaltung AS angeordnet, die auf den Massebezugspunkt der Schaltungsanord¬ nung geschaltet ist. An einem Eingang liegen Spannungssprünge Uin und an einem anderen Eingang die Versorgungsspannung Üb an. Am Ausgang der Auswerteschaltung liegt ein Signal Ust an. Der Ausgang der Auswerteschaltung AS ist mit einem Eingang einer Impulserzeugerschaltung IS verbunden. Die Impulserzeu¬ gerschaltung IS ist an die Versorgungsspannung üb angeschlos- sen. Die Impulserzeugerschaltung IS ist ferner mit dem Masse¬ bezugspunkt der Schaltungsanordnung verbunden. Darüberhinauε ist sie mit Bauelementen Ct und Rth verbunden, bei denen es sich um einen Kondensator (Ct) und einen Widerstand (Rth) handelt.

Der Ausgang der Impulserzeugerschaltung IS ist über eine unsymmetrische Widerstandsschaltung Rl, R2, D mit dem Basis-

anschluß des Transistors verbunden, der als Verstärkerschal¬ tung T verwendet ist. Bei der unsymmetrischen Widerstands¬ schaltung Rl, R2, D handelt es sich um eine Parallelschaltung zweier Widerstände (Rl, R2) von denen einer gegenüber dem an- deren durch eine Diode (D) in einer der möglichen Strom¬ richtungen entkoppelt geschaltet ist.

Zur Erfassung der Drehzahl des Ventilators V wird der Ein¬ gangsstrom des Ventilators V ausgewertet. Bei jeder vollen Umdrehung des Ventilatorrotors werden die Erregerwicklungen je nach Position des Rotors mehrmals ein- und ausgeschaltet. Diese Schaltvorgänge sind als Stromsprünge großer Steilheit im Eingangsstrom erkennbar und werden über den Vorwiderstand RS in Spannungssprünge Uin umgewandelt. Nach einer Hochpaß- filterung und einer Signalformung in der Auswerteschaltung AS können die Signalsprünge Uin in Form des Signals Ust als Er¬ satz für die Signale eines Drehzahlsensors verwendet werden. Das Signal Ust wird als Startimpuls auf die Impulserzeuger¬ schaltung IS geschaltet, bei der es sich um ein sogenanntes Monoflop handelt. Das Monoflop erzeugt pro Startimpuls einen Impuls vorgegebener Länge. Die Länge des Impulses wird fest¬ gelegt durch die Bauelemente Ct und Rth. Die Länge eines Im¬ pulses ist in der Weise eingestellte daß sie bezogen auf die Summe der Längen des Impulses und der nachfolgenden Pausen größenordnungsmäßig 90 und mehr ausmacht (siehe Figur 2, Um) .

An den Ausgängen der Impulserzeugerschaltung IS wird über die unsymmetrische Widerstandsschaltung Rl, R2, D die Speicher- komponente Cg angesteuert, die gleichzeitig die Ausgangsim¬ pulse glättet und eine Abweichung von einer Sollperiodendauer der Ventilatorimpulse durch eine unsymmetrische Widerstands¬ beschaltung verstärkt. Das verstärkende Verhalten wird da¬ durch erreicht, daß der Wert des von dem anderen Widerstand R2 entkoppelten Widerstandes Rl der unsymmetrischen Wider¬ standsschaltung Rl, R2, D wesentlich kleiner gewählt wird als R2. Ergebnis davon ist, daß eine wesentlich schnellere Entla-

düng als Ladung der Speieher omponente Cg erfolgt. Bereits bei geringfügiger Reduzierung der Frequenz der Impulse des Signals Ust werden die Lücken zwischen den Monofloppulsen größer und entladen über den Widerstand Rl die Speicher- komponente Cg. Die an der Speicherkoraponente Cg auftretende Spannung Ug stellt ein Maß für die Abweichung der Ventilator¬ drehzahl von der durch die Impulslänge des Monoflops be¬ stimmbaren Solldrehzahl dar.

Um den Regelkreis zu schließen, wird diese Spannung über ein oder zwei Transistoren dem Ventilator V zugeführt.

Nachfolgend wird bezug auf die Figur 2 genommen.

Das Zeitintervall T4-T6 stellt den Betrieb bei zu hoher Dreh¬ zahl dar. Der Monoflop wurde nachgetriggert, das heißt, das Zeitintervall t4-t5 ist kürzer als das Zeitintervall z.B. t2- t3. Die Spannung Ug steigt langsam, die Spannung UI f llt. Die Ventilatordrehzahl wird dadurch wieder auf den Sollwert abgesenkt.

Das Zeitintervall tl0-tl2 stellt den Betrieb bei zu niedriger Drehzahl dar. Der Monoflop springt nach Ablauf der durch die Bauelemente Ct und Rth vorgegebenen Zeit auf 0V. Die Spei- cherkomponente Cg wird solange beschleunigt entladen, bis der nächste Ventilatorimpuls, das heißt der nächste Impuls im Si¬ gnal Ust, eintrifft. Dadurch sinkt die Spannung Ug und die Spannung UI steigt. Der Ventilator V wird wieder schneller, um die Solldrehzahl zu erreichen.

Die Welligkeit der Spannungen Ug und UI und die Abweichung der Zeitintervalle vom Sollwert ist im Diagramm der Figur 2 zur Verdeutlichung größer dargestellt als das im Betrieb nor¬ malerweise auftritt.

Die RegelSchaltung für den Ventilator stellt sicher, daß der Ventilator stets zuverlässig anläuft und im Betrieb auch un-

terhalb der vom Hersteller garantierten minimalen Betriebs¬ spannung nicht stehenbleiben kann. Verantwortlich hierfür ist, daß im besagten Fall die Startimpulse ausfallen, der Mo¬ noflop den Glättungskondensator auf niedrigere Spannung zieht und dadurch die Spannung über dem Ventilator wieder erhöht wird.

Damit die Drehzahlregelung einstellbar ist, muß die Impuls¬ länge des Monoflops verändert werden. Dies kann z.B. über ei- ne Variation des zeitbestimmenden Gliedes, z.B. des Wider¬ standes Rth, erfolgen. Wird für diesen Widerstand ein tempe¬ raturveränderlicher Widerstand verwendet, wird dadurch eine durch die Temperatur gesteuerte Drehzahlregelung des Ventila¬ tors erreicht.