Verfahren zur Steuerung der Betriebsspannung eines Lüfters in elektrischen Geräten

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung der Be¬ triebsspannung eines Lüfters in elektrischen Geräten gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Bei elektrischen Geräten, die eine Stromversorgung mit Lüf¬ terkühlung aufweisen, wird zur Geräuschreduzierung oft ein drehzahlgesteuerter Lüfter verwendet. Vor allem in ruhiger Büroumgebung wird dabei trotzdem das Lüftergeräusch mit herkömmlicher Temperatur/Drehzahlsteuerung als zu laut emp¬ funden. Bei einer Absenkung der Lüfterdrehzahl ist zu beach¬ ten, daß die zu schützenden elektronischen Bauelemente im gesamten Last- und Temperaturbereich unterhalb einer maximal zulässigen Bauteiletemperatur bleiben.

Nach einer bisher bekannten Methode wird die Lufttemperatur der Stromversorgung mit Hilfe eines temperaturabhängigen Bauelementes, zum Beispiel mit einem sogenannten NTC- oder PTC-Widerstand, das ist ein Widerstand, dessen Widerstands¬ wert bei Abkühlung beziehungsweise Erwärmung entsprechend größer wird, und einer Leistungsstufe in eine Steuerspannung für den Lüfter umgesetzt. Die dabei verwendete Tempera- tur/Spannungscharakteristik ist dabei relativ flach bezie- hungsweise breit, das heißt, die Steuerspannung steigt in einem breiten Bereich, zum Beispiel zwischen 20 Grad Celsius und 60 Grad Celsius, von einem Grundspannungspegel zur maxi¬ malen LufterSpannung an.

Bei manchen Lüftersteuerungen wird der Temperatursensor auf einem Kühlblech von Leistungsbauteilen in der Stromversorgung montiert, so daß die Ausgangsleistung der Stromversorgung bei der Einstellung der Lüfterbetriebsspannung mitberücksichtigt wird.

Aus US-A-5 197 858 ist eine temperaturgesteuerte Geschwindig¬ keitseinstellung von Lüftern in elektrischen Geräten bekannt, die in der Weise die Steuerung des Lüfters ausführt, daß bis zu einer ersten Gerätetemperaturgrenze die Lüfterdrehzahl konstant bei einem ersten Wert eingestellt wird. Danach wird die Lüfterdrehzahl kontinuierlich hochgeregelt bis zu einer zweiten Gerätetemperaturgrenze. Oberhalb der zweiten Geräte¬ temperaturgrenze bleibt die Lüfterdrehzahl konstant.

In diesem Zusammenhang ist zwar eine Schaltungsanordnung angegeben, bei der die jeweiligen Gerätetemperaturgrenzen eingestellt werden können, zwischen denen der kontinuierliche Anstieg der Lüfterdrehzahl erfolgen soll. Es ist aber tat¬ sächlich nur das Prinzip angegeben, wie eine Regelung der Lüfterdrehzahl durchgeführt sein soll. Zwar steht die Rege- lung der Lüfterdrehzahl im Zusammenhang mit einer Reduzierung des Lüftergeräusches. Es wird aber kein Vorschlag gemacht, wie das Lüftergeräusch bei Aufrechterhaltung der Kühlfunktion für ein zugehöriges elektrisches Gerät maximal reduziert werden kann.

Aus Svenkerud/Kristiansen: "PC-Lüfterregler" in: DE-Z "Elektor", Heft 7-8/92, Seite 22 ist eine Schaltungsanordnung zur Regelung der Lüfterdrehzahl eines Lüfters in einem elek¬ trischen Gerät bekannt, für die im Prinzip das gleiche wie für die US-Schaltungsanordnung gilt, das heißt, es ist kein Hinweis auf eine Regelung gegeben, bei der eine maximale Reduzierung des Lüftergeräusches bei Aufrechterhaltung der Kühlfunktion für das zugehörige elektrische Gerät gegeben ist.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Steuerung der Betriebsspannung eines Lüfters in elektrischen Geräten anzu¬ geben, durch das auf billige Weise eine maximale Geräuschre¬ duzierung beim Lüfter unter Aufrechterhaltung einer notwendi¬ gen Kühlleistung erzielt wird.

Diese Aufgabe wird durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebenen Verfahrensschritte gelöst.

Danach wird der Lüfter stets mit einer möglichst niedrigen Betriebsspannung betrieben. Dies wird durch folgende Punkte erreicht.

Es wird als Referenzbauelement für die Bestimmung einer Temperatur, auf die geregelt werden soll, ein Bauelement in der Stromversorgung verwendet, weil hier Bauelemente gegeben sind, deren Temperaturverhalten sehr gut proportional mit der Geräteleistung übereinstimmen und daher eine Aussage darüber zulassen, wie heiß andere Bauelemente im Gerät im einzelnen werden. Von daher ist es nicht notwendig, andere temperatur¬ kritische Bauelemente zusätzlich zu überwachen, auch wenn das ohne weiteres noch zusätzlich gemacht werden könnte. Es ist lediglich der Zusammenhang zwischen dem Referenzbauelement und einem jeweiligen anderen Bauelement zu ermitteln und dann die Regelung der Temperatur des Referenzbauelementes in der Weise einzustellen, daß die maximale Betriebstemperatur eines jeweils gewünschten anderen Bauelementes mitberücksichtigt wird.

Insbesondere wird die Ausgangsdiode eines Ausgangskreises der Stromversorgung mit der größten abzugebenden Leistung verwen¬ det, weil dieses Bauteil mit eines der am heißesten werdenden Bauelemente ist und dieses Bauteil zudem in der Regel bereits auf einem Kühlblech montiert ist, so daß ein entsprechend träges Temperaturverhalten gegeben ist und ein Temperatursen¬ sor sehr leicht vorgesehen werden kann.

Durch die Steuerung des Lüfters gemäß der Erfindung wird die Drehzahl des Lüfters erst extrem spät hochgefahren und dann immer nur soweit, daß eine ausreichende Kühlung gerade noch gegeben ist.

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

Figur 1 ein elektrisches Gerät mit einer Lüftersteuerung nach einer bekannten Art in Prinzipdarstellung,

Figur 2 ein Temperaturregelverhalten des elektrischen Gerätes nach Figur 1,

Figur 3 ein elektrisches Gerät mit einer Lüftersteuerung gemäß der Erfindung in Prinzipdarstellung, und

Figur 4 ein Temperaturregelverhalten des elektrischen Gerätes nach Figur 3.

In den nachfolgenden Figurenbeschreibungen sind jeweils gleiche Gegenstände mit gleichen Bezugszeichen gekennzeich¬ net.

In der Figur 1 ist ein elektrisches Gerät gezeigt, das aus einer Hauptkomponente PC und einer Stromversorgung SV zusam¬ mengesetzt ist. Ein derartiges Gerät kann beispielsweise ein Personalcomputer sein.

In der Stromversorgung SV ist ein Lüfter L angeordnet. Der Lüfter L erzeugt im elektrischen Gerät einen Luftstrom, der durch Pfeile angezeigt ist. Dabei tritt über seitliche Schlitze eine Luft mit der Temperatur TL in die Hauptkompo¬ nente PC ein. Die Luft tritt dann aus der Hauptkomponente PC mit der Temperatur TPCL aus und in die Stromversorgung SV ein. In der Stromversorgung SV wird die eintretenden Luft mit der Temperatur TPCL durch entweder einen temperaturabhängigen Widerstand mit einem positiven Temperaturkoeffizienten PTC oder durch einen temperaturabhängigen Widerstand mit einem negativen Temperaturkoeffizienten gemessen. In Abhängigkeit von der gemessenen Lufttemperatur wird die Betriebsspannung des Lüfters reguliert. Durch den Lüfter wird dann die Luft in

der Stromversorgung aus der Stromversorgung geblasen. Durch den Sog wird frische Luft in die Hauptkomponente PC eingeso¬ gen.

Die Steuerung der Betriebsspannung des Lüfters L erfolgt entsprechend einer breiten Kennlinie, wie sie in der Figur 2 dargestellt ist. Bei einer Lufttemperatur TPCL1 wird eine Spannung ULnorm für den Lüfter L erzeugt, bei der der Lüfter L mit einer Grunddrehzahl dreht. Bis zu einer Lufttemperatur TPCL2, die einer maximal zulässigen Temperatur entspricht, bei der angenommen wird, daß alle Bauelemente in dem elektri¬ schen Gerät noch einwandfrei arbeiten, wird die Lüfterspan¬ nung UL bis zu einer Höhe von ULmax hochgeregelt. Bei der maximalen Lüfterspannung ULmax dreht der Lüfter mit seiner maximalen Drehzahl.

Der in den Figuren 1 und 2 dargestellt Sachverhalt, stellt einen Stand der Technik dar. Der in den Figuren 3 und 4 angezeigte Sachverhalt stellt eine Lösung gemäß der Erfindung dar.

In der Figur 3 ist das gleiche elektrische Gerät wie in der Figur 1 dargestellt mit dem Unterschied, daß die Temperatur zum Erzeugen einer Lüfterspannung UL nicht mehr anhand der Lufttemperatur innerhalb der Stromversorgung SV sondern anhand der Kühlkörpertemperatur TK des Kühlkörpers für eine Ausgangsdiode D ermittelt wird. Zu diesem Zweck sind die temperaturabhängigen Widerstände PTC beziehungsweise NTC auf dem Kühlkörper der Diode D angeordnet.

Die Ermittlung der LufterSpannung UL erfolgt dabei gemäß der in der Figur 4 angegebenen Kennlinie. Gemäß der Kennlinie bleibt die LufterSpannung bis zu einer ersten Kühlkörperte - peratur TKl konstant bei der Grundlüfterspannung ULnorm. Die erste Kühlkörpertemperatur TKl stellt eine Grenztemperatur dar. Ab der Grenztemperatur TKl steigt die LufterSpannung UL kontinuierlich rasch an. Bei einer höheren zweiten Kühlkör-

pertemperatur TK2 ist die Lüfterspannung UL mit einem Wert ULmax maximal. Die zweite Kühlkörpertemperatur TK2 ist in der Weise gewählt, daß alle Bauelemente in dem elektrischen Gerät noch unterhalb der maximal zulässigen Betriebstemperatur sind. Die Grenztemperatur TKl ist im Bereich der zweiten Kühlkörpertemperatur TK2 angesiedelt.

Im weiteren folgt eine allgemeine Beschreibung des in den Figuren 3 und 4 dargestellten Sachverhalts.

Die Steuerung für den Lüfter L wird im einfachsten Fall umgewandelt in eine durch den Lüfter bewirkte Temperaturrege¬ lung des Hauptkühlkörpers in der Stromversorgung SV. Dabei wird von folgender Überlegung ausgegangen: Bei der Lüftung eines elektrischen Gerätes geht es darum, die Bauteiletempe¬ ratur des wärmsten (elektrischen beziehungsweise elektroni- sehen) Bauelements auf einen vorgegebenen maximalen Wert, der unterhalb der jeweiligen Zerstörungsgrenze liegt, zu begren¬ zen. Üblich ist zum Beispiel eine Temperatur von 100 Grad Celsius. Die in Frage kommenden Bauelemente können sowohl im Verbraucher als auch in der Stromversorgung sein. Im Beispiel eines Personalcomputers kann das ein Mikroprozessor MP und gleichzeitig in der Stromversorgung eine 5 Volt-Ausgangsdiode D sein. Je nach Ausbaugrad und Auslastung wird in diesem Fall einmal die Ausgangsdiode D und in einem anderen Lastfall der Mikroprozessor MP heißer. Wenn Kosten und Aufwand nur eine untergeordnete Rolle spielen, kann jedes kritische Bauelement einzeln mit einem Temperaturfühler überwacht werden. Dabei bestimmt die Temperatur des heißesten Bauelementes die Span¬ nung für den Lüfter L. Die niedrigste Drehzahl für den Lüfter L ergibt sich aus der niedrigsten zulässigen Betriebsspannung ULnorm des Lüfters L, bei der dieser noch sicher anläuft. Um nun die niedrigste mögliche Drehzahl über den gesamten Last- bereich für den Lüfter L zu erreichen, wird bei steigender Bauteiletemperatur weiterhin diese niedrigste Lüfterdrehzahl beibehalten. Erst bei Überschreiten einer Grenztemperatur TKl beginnt die Lüfterspannung UL zu steigen. Die Steigung der

Temperatur/Spannungskennlinie ist relativ steil (wesentlich steiler als beispielsweise die in der ^' Figur 2 dargestellte Kennlinie). Bei einer oberen Kühlkörpertemperatur TK2, die aus Toleranzgründen etwas unterhalb der maximalen Bauteile- temperatur liegt, wird die maximale Lüfterspannung ULmax erreicht. Durch diese Form der Temperatur/Spannungskennlinie erhält man bei niedriger Last die niedrigste mögliche Dreh¬ zahl des Lüfters L, während bei höherer Last die minimal notwendige Drehzahl des Lüfters sich einstellt, um das heiße- ste Bauelement mit einem Sicherheitsabstand unterhalb seiner Maximaltemperatur zu betreiben. Vom Temperaturverhalten des heißesten Bauelementes her betrachtet entspricht das einer Temperaturregelung dieses Bauelementes über die Lüfterdreh¬ zahl.

Zwei vorteilhafte Ausgestaltungen sind denkbar: Um Kosten und Aufwand zu senken, kann die Anzahl der Temperaturfühler auf einen einzigen Fühler reduziert werden, der thermisch mit dem Kühlkörper der 5 Volt-Ausgangsdiode D in der Stromversorgung SV verbunden ist. In den meisten Fällen ist dies das heißeste Bauelement in der Stromversorgung SV. Durch Messungen im Gesamtsystem bei verschiedenen Ausbaugraden, Auslastungen und Außentemperaturen muß nun ermittelt werden, ob es ein Bauele¬ ment im Verbraucher gibt, das bei dieser Regelung seinen Arbeitstemperaturbereich überschreitet. Ist dies der Fall, müssen die beiden Temperaturgrenzen TKl und TK2 entsprechend abgesenkt werden, bis alle Bauelemente unter allen Betriebs¬ bedingungen unterhalb ihrer Maximaltemperatur bleiben. Um die niedrigste Betriebsspannung ULnorm für den Lüfter noch weiter abzusenken, kann beim Start des Lüfters L seine Betriebsspan- nung kurzzeitig angehoben werden, damit dieser sicher an¬ läuft. Die danach sich einstellende niedrigste zulässige Betriebsspannung kann niedriger sein, da normalerweise das Anlaufen des Lüfters L mehr Spannung erfordert als danach der Betrieb mit konstanter Drehzahl.