Aufschlüsselung der Steuerungs- und Schutzoptionen für DC-Lüfter

Als ein bekanntes und weit verbreitetes Instrument zum Wärmemanagement können Gleichstromlüfter einzeln, in Serie oder parallel eingesetzt werden, um für eine Zwangsluftkonvektionskühlung zu sorgen. Ihre Vielseitigkeit und relativ einfache Verwendung machen sie seit vielen Jahren zu einer soliden Wahl zur Verbesserung des thermischen Profils einer Endanwendung. Auf der Basis grundlegender Physik ist bewegte Luft, die von Lüftern erzeugt wird, bei der Kühlung von Komponenten wirksam, indem sie Wärme absorbiert und diese Wärme dann aus einem abzuleitenden Gerät abführt. Ihre Wirksamkeit wird jedoch von mehreren Faktoren beeinflusst, und Ingenieure können von einem besseren Verständnis der Merkmale und Optionen profitieren, die für Gleichstromlüfter zur Verbesserung ihrer Zuverlässigkeit und Effizienz zur Verfügung stehen.

Abbildung 1: Natürliche Konvektion gegenüber erzwungener Konvektionskühlung (Bildquelle: Same Sky)

Zu Beginn des Gleichstromlüfter-Auswahlverfahrens muss ein Ingenieur einige grundlegende thermische Analysen durchführen, um den Mindestluftstrombedarf zu berechnen. Eine typische thermische Analyse könnte die Modellierung von Wärmequellen, Umgebungsbedingungen und Temperaturanstieg beinhalten. Andere Faktoren wie die Größe des Lüfters, seine Ausrichtung und der Luftströmungsweg innerhalb der Anwendung müssen ebenfalls berücksichtigt werden, um sicherzustellen, dass eine geeignete Lösung implementiert wird. Der Blog „Understanding Airflow Fundamentals for Proper Dc Fan Selection“ von Same Sky enthält weitere Einzelheiten zur thermischen Analyse und zum Auswahlverfahren.

Wenn die thermische Analyse abgeschlossen ist und der entsprechend dimensionierte und bemessene Lüfter ausgewählt ist, bleibt nur noch, den Lüfter anzutreiben und ihn arbeiten zu lassen, korrekt? Während der Vollzeitbetrieb eines Lüfters in bestimmten Szenarien seinen Zweck erfüllen kann, stellt die kontinuierliche Umluftkühlung im Allgemeinen keine energieeffiziente oder langfristige Lösung dar. Die heutigen Gleichstromlüfter bieten Entwicklern eine Reihe von Steuerungs-, Überwachungs- und Schutzoptionen zur Verbesserung ihrer Wärmemanagementfähigkeiten. Der Rest dieses Artikels befasst sich mit diesen Merkmalen, so dass Entwickler von fortschrittlicheren Lüftersteuerungstechniken profitieren können.

Zyklischer Ein/Aus-Betrieb

Wie bereits erwähnt, hält der Vollzeitbetrieb von Lüftern temperaturempfindliche Komponenten sicher kühl, ignoriert aber sowohl den Stromverbrauch als auch die Tatsache, dass Lüfter bewegliche Teile mit begrenzter Lebensdauer haben. Zudem erzeugen Lüfter im Betrieb hörbare Geräusche, die in einer Vielzahl von Anwendungen und Umgebungen unerwünscht sein können.

Das Ein-/Ausschalten eines Lüfters um einen Temperatursollwert herum ist ein alternativer Ansatz, der einige der Unzulänglichkeiten des kontinuierlichen Lüfterbetriebs mildern kann. Die Technik der Ein/Aus-Lüfterregelung kann durch Begrenzung der Laufzeit Strom sparen, die beweglichen Komponenten eines Lüfters weniger belasten und hörbare Geräusche reduzieren, wenn sich der Lüfter abschaltet, wenn die Temperatur unter den Sollwert fällt.

Die Ein/Aus-Lüfterregelung ist jedoch in vielerlei Hinsicht zu vereinfachend für einen Ansatz zur Umluftkühlung und hat ihre eigenen Unzulänglichkeiten. Zunächst einmal führt die Ein/Aus-Regelungstechnik den temperaturempfindlichen Bauteilen Zyklen von heißer und kalter Luft zu. Wärmezyklen können für kritische Komponenten genauso schädlich oder schlimmer sein als der Betrieb bei konstant erhöhten Temperaturen. Der Grund dafür ist, dass Temperaturzyklen Unterschiede in den Temperatur-Koeffizienten erzeugen, die eine zusätzliche Beanspruchung von Materialien und Lötverbindungen verursachen, was zu vorzeitigem Versagen führt.

Als nächstes kommt der Faktor des unvermeidlichen thermischen Überschwingens. Dies ist die Zeitverzögerung zwischen dem Einschalten des Ventilators und dem Zeitpunkt, zu dem die von ihm erzeugte Druckluft tatsächlich zu kühlen beginnt. Während dieser Zeitverzögerung kann es zu einer Überhitzung der Komponenten kommen, es sei denn, der Sollwert für das Einschalten des Lüfters wird abgesenkt. Durch das Absenken des Sollwerts wird aber die Zeit verlängert, in der der Ventilator eingeschaltet ist und hörbare Geräusche erzeugt. Und um ein schnelles Ein- und Ausschalten um den Sollwert herum, das oft als „Flattern“ bezeichnet wird, zu vermeiden, muss schließlich eine Hysterese implementiert werden.

Das nachstehende Diagramm hilft bei der Veranschaulichung des thermischen Dilemmas des Überschwingens, das durch die thermische Verzögerung bei Ein/Aus-Lüftersteuerungsanwendungen verursacht wird. Dieses Diagramm zeigt die gewünschte Solltemperatur mit einem Stufenwechsel (hellblau), zusammen mit dem Ein-/Ausschalten des Lüfters (grün) und der Ist-Temperatur (dunkelblau).

Abbildung 2: Das zyklische Ein-/Ausschalten des Lüfter kann zu thermischem Überschwingen und Verzögerung führen (Bildquelle: Same Sky)

Moderne Optionen zur Ein/Aus-Steuerung

Heutige Gleichstromlüfter bieten Entwicklern eine Reihe von Regelungs- und Schutzoptionen, die ein besser abgestimmtes Wärmemanagement ermöglichen. Diese hochentwickelten Designs bringen die grundlegende Ein/Aus-Lüftersteuerung auf ein neues Niveau der Leistung, Effizienz und Zuverlässigkeit. Es sind auch Schutzoptionen verfügbar, die Probleme erkennen, bevor sie Schäden am Lüfter und den Komponenten, die der Lüfter kühlt, verursachen. Im Folgenden werden einige der gängigsten Optionen für die Lüfterregelung und den Lüfterschutz behandelt:

Pulsbreitenmodulation

Die Pulsbreitenmodulation (PWM) ist eine gängige Methode zur Steuerung und Änderung der Lüfterdrehzahl auf der Grundlage unterschiedlicher thermischer Bedingungen. Die PWM-basierte variable Drehzahlregelung führt zu einer besseren Betriebseffizienz, wenn sie mit modernen Regelalgorithmen kombiniert wird, die sich an die Betriebsdynamik anpassen können und die Lüfterdrehzahl an die thermische Belastung anpassen.

Die Ein/Aus-Lüfterregelung kann bei dieser Methode auch durch die Anwendung von Regelungsstrategien mit Hilfe von Proportional-Integral-Reglern oder Proportional-Integral-Differential-Reglern (PI und PID) verbessert werden. Diese Strategien tragen dazu bei, ein thermisches Über- oder Unterschwingen trotz Laständerungen zu vermeiden, indem sie sicherstellen, dass der Luftstrom die Bedingungen auf der gewünschten Solltemperatur hält.

Eingebettetes Tachometersignal

Ein für die Rückkopplung im geschlossenen Regelkreis eingebetteter Drehzahlmesser kann für eine moderne Lüfterregelung verwendet werden. Er erfasst und meldet die Drehzahl eines Lüfters durch Messen der Frequenz eines gepulsten Ausgangssignals. Er dient auch als Blockierungssensor, der die Benutzer warnt, wenn der Lüfter aufgrund eines Stromausfalls, eines Hindernisses usw. den Betrieb eingestellt hat. Die Fähigkeit, diese Probleme so schnell wie möglich zu erkennen, ist ein großer Vorteil für den Systembetrieb und ermöglicht rechtzeitige Abschaltungen zum Schutz temperaturempfindlicher Komponenten.

Wiederanlaufschutz

Der automatische Wiederanlaufschutz erkennt, wenn der Lüftermotor am Drehen gehindert wird, und unterbricht automatisch den Antriebsstrom. Dadurch wird die Lüfter-Treiberschaltung geschützt und die Lüfterregelung über unmittelbare Probleme aufgrund der Abschaltung des Treiberstroms informiert.

Rotationserkennungs-/Blockadesensor

Zur Erkennung, ob ein Lüftermotor in Betrieb ist oder gestoppt wurde, ist der Rotationserkennungs-/Blockadesensor ein Schutz gegen Probleme beim Start oder während des Betriebs.

Zusammenfassung

Wenn eine Anwendung überschüssige Wärme erzeugt, sind Gleichstromlüfter eine gängige Wahl, um Komponenten innerhalb ihrer Betriebsgrenzen zu halten und die Wärmeabfuhr zu verbessern. Während die Auswahl kontinuierlich betriebener Lüfter nach einer grundlegenden thermischen Analyse sicherlich eine Option ist, können modernere Lüfterregelungen und -schutzmaßnahmen den Entwicklern eine höhere Lebensdauer und Effizienz bieten. Same Sky führt ein umfassendes Portfolio an DC-Lüftern und -Gebläsen mit einer Vielzahl von Größen, Luftströmen, Geschwindigkeiten und Regelungsarten, um den Auswahlprozess einfach zu gestalten.