DE3342031A1 - Schaltung zur temperaturabhaengigen steuerung der drehzahl eines elektromotors, insbesondere eines elektronisch kommutierten gleichstrommotors - Google Patents

Description

• Schaltung zur temperaturabhängigen Steuerung der Drehzahl
• eines Elektromotorc, insbesondere eines elektronisch kommutierten Gleichstrommotors Die Erfindung betrifft eine elektronische Schaltung zur temperaturabhänyigen Steuerung der Drehzahl e eines elektronisch kommut.ierten ert en Gleichst rommotors, irlst)esondere zum Antrieb eines Ventilators.
• Bei der Lüftung, bzw. Kühlung elektronischer Geräte wird heute aus Geräuschgründen häufig gefordert, daß der Ventilator die zur Lüftung, bzw. Kühlung tatsächlich notwendige Leistung erbringt, d. h. bei geringerem Leistungsbedarf seine Drehzahl reduziert, um eine minimale Geräuschentwicklung zu erreichen.
• Die Lösung eines ähnlichen Problems ist in der deutschen Patentanmeldung P 30 24 613.0 beschrieben, wobei der Gleichstrommotor jedoch mit einer Regelschaltung für eine Strombegrenzung verbunden ist.
• Es ist auch eine Schaltung zur Drehzahlsteuerung eines einen Lüfter antreibenden Elektromotors mit einem temperaturabhängigen Meßwertaufnehmer, mit dem entsprechend einstellbarer Temperaturstufen abgestufte Drehzahlen einschaltbar sind, bekannt (DE-PS 28 45 437). Diese Schaltung ist auf eine stufige Arbeitsweise abgestimmt, wodurch ein hoher Aufwand an Bauteilen, wie beispielsweise Linearisierungsnetzwerk, mehrere Komparatoren, Operationsverstärker usw., erforderlich sind.
• Desweiteren ist auch in der DE-PS 23 31 022 eine Schaltung zum Steuern der Drehzahl eines Ventilatormotors beschrieben. Hierin wird der Motor über Triacs ein- bzw. ausgeschaltet, und die Verwendung ist auf Wechselstrommotoren beschränkt.
• Im Gegensatz dazu handelt es sich bei der vorliegenden Erfindung um die Drehzahl-, bzw. Spannungs regelung eines Lüfters, bzw. seines unmittelbar axial direkt antreibenden Gleichstrommotors mit elektronischer Kommutierunq in Abhänqigkeit von der Umgebungstemperatur.
• Der Betrieb von Gleichstrommotoren mit einer Spannungsstabilisierungsschaltung an einem Gleichstromnetz ist bekannt. Es geht jedoch darüber hinaus darum, die erwähnte Funktionsabhängigkeit von der Umgebungstemperatur, und das vor allem mit besonderen Randbedingungen zu erreichen.
• Die Randbedingungen können von außen willkürlich oder durch äußere Umstände notwendig vorgegeben sein. Sie können aber auch durch eine besondere Art des antreibenden Motors, oder eine besondere Art von dessen Betriebsschaltung, notwendig werden, z. B. ist in der DE-05 24 19 432 eine Betriebsschaltung für einen Gleichstrommotor angegeben, der mittels Kapazität eine sogenannte Blockiersicherunq erreicht, d. h. daß der Motor im abgebremsten Zustand keinen Strom aufnimmt. Eine solche kapazitive Blockiersicherung jedoch bewirkt unter Umständen eine, in Verbindung mit einer langsamen Temperaturänderung, sich zu langsam vollziehenden Spannungsänderung oder wenn die Spannung von zu kleinen Werten aus sehr langsam ansteigt und damit den Anlauf eines solchen temperaturgesteuerten Motors verhindert. Das Problem besteht auch bei anderer elektrodynamisch wirkender Blockiersicherung, z. 8. bei einer solchen, wo über Diodenelemente durch Rotation des Rotormagneten ausgekoppelte Spannungswerte ausgekoppelt werden.
• Denn es kann erwünscht sein, gemäß Fig. 2 die Lüfter spannung oder seine Drehzahl ü b e r der Teml)eratur linear linear sich \,eräntfern zu lassen, z. B. proportional zum natijrlichen Nullpurlkt iri Celsiusgraden, wie das die Fig. 2 ungefähr darstellt. Wenn dann die Drehzahl durch Abkühlung entsprechend und damit die Betriebsspannung auf kleine Werte abgesunken ist, und eine langsame Temperatursteigerung bzw. Spannungserhöhung von zu kleinen Werten wieder einsetzt, würde der Ventilator u. U. dann nicht mehr entsprechend dem Kennlinienast A der Fig. 2 hochlauFen, weil die Spannungsänderung du/dt an dem mittels Kapazität blockiergeschützten Ventilatormotor sich zu langsam ändert.
• Deshalb legt man hier eine Mindestspannung von z. B. 16 Volt fest, entsprechend einer Drehzahl von 2000 U/Min. die unabhänqig von der Temperatur, d. h. konstant ist, welche durch den Kennlinienast B dargestellt wird, und dieser Kennlinienast B ist nun auch zu realisieren. Steigt die Temperatur jedoch über den Kennlinien-Schnittpunkt der Äste A und B an, oder wird eine höhere Spannung als diesem Schnittpunkt entsprechend angelegt, soli die Schaltung selbsttätig gemäß dem Kennlinienast A arbtiten.
• Der Erfindung liegt also die Aufgabe zugrunde, eine elektronische Steuerschaltung zu schaffen, mit der in Abhängigkeit von der Temperatur eines Temperatursel-lsors die Drehzahl eines vorhandenen Elektromotors für Gleichstrombetrieb, insbesondere eines elektronisch kommutierten Gleichstronmotors zum Antrieb eines Ventilators in gewissen Grenzen variiert werden kann, wobei eine untere Mindestdrehzahl festlegbar sein soll, um auch bei niedrigen Temperaturen einen sicheren Anlauf des Motors zu erreichen, d. h. eine einfache Betriebsschaltung im Rahmen der vorliegenden Forderunnen zu schaffen, welche neben einer vorzugsweise linearen, insbesondere einer zur Celsiustemperatur proportionalen Abhängigkeit der Ventilatordrehzahl an einer Mindestspannung, bzw.
• durch eine Mindestdrehzahl in der Funktion begrenzt ist, so daß diese Mindestdrehzahl nicht unterschritten werden kann, auch nicht bei entsprechender Abkühlung der Raumtemperatur.
• Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß eine an sich bekannte Stabilisierungsschaltung in H-Form in einem Längszweig die Reihenschaltung einer Zenerdiode und eines Widerstandes und im anderen Längszweig die Reihenschaltung eines Transistors (vorzugsweise als sog. Darlington-Transistor ausgebildet) und der Motorwicklung des antreibenden Elektromotors und im Querzweig einen Transistor mit Vorwiderstand dazu aufweist. Bei einer solchen Betriebsschaltung ohne Stromregelung wird nun die Verbindung der beiden Betriebsarten vorteilhaft dadurch ermöglicht, daß ein Spannungsteiler, der aus der Reihe eines temperaturabhängigen Widerstandselenentes mit dazu relativ kleinem Vorwiderstand in Reihe und einem größeren, einstellbaren Widerstand und dazu jeweils wieder einem kleineren Vorwiderstand besteht; wobei dieserSpannungsteiler direkt auf den Transistor, der mit der Wicklung in Reihe geschaltet ist, arbeitet. Die Kombination dieser temperaturabhängigen Schaltung zur Steuerung der Drehzahl mit der vorher genannten, erwähnten Stabilisierungsschaltung in dieser einfachen Weise, führt zu einer voll befriedigenden Betriebsschaltung.
• In Weiterbildung der Erfindung wird parallel zur Basis/Emitterstrecke des Längs transistors noch ein relativ großer Widerstand vorgesehen, der als Gegenkopplung wirkt und stabilisierend funktioniert.
• Weitere Einzelheiten und vorteilhafte Weiterbildungen der Er-Erfindung ergeben sich aus dem im folgerlden beschriebenen und in der Zeichnung dargestellten, in keiner Weise als Einschränkung der Erfindung zu verstehenden Ausführllngsbeispielen sowie aus den Unteransprüchen.
• Es zeigen: Fig. 1 ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Schaltung, Fig. 2 ein Schaubild der Arbeitsweise der in Fig. 1 dargestellten Schaltung, Fig. 3 ein zweites Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Schaltung und Fig. 4 eine vereinfachte Variante des Ausführungsbeispiels gemäß Fig. 3.
• Das Ausführungsbeispiel nach der Erfindung gemäß Fig. 1 war zunächst für eine Betriebs-Gleichspannung UpN von 24 V vorgesehen in einem Spannungsbereich von 18-30 Volt. Die Schaltung eignet sich aber auch für andere Betriebsspannungen, wie z. B. 48 V oder 5 V. Die Schaltung enthält zwei parallel wirkende Zweige, bestehend aus den Elementen 3, 5, 8 und 9, bzw. 6, 7, 11 und 12.
• Am Eingang liegt die Reihenschaltung einer Zenerdiode 3, die einen Grenzwert von 18 Volt und eines Widerstandes 5, der einen bestimmten, etwa zweifachen Normierungswert aufweist. Parallel liegt ein anderer Längszweig einer H-förmigen Schaltung, der durch die Reihenschaltung eines antreibenden Motors 14, an dem die Grenzspannungswerte 17 oder 29 Volt liegen, und einem Transistor 15, der /. 8. als Darlington-Transistor ausgebildet ist, gebildet wird. Der Ohm'sche Widerstand der Wicklung des Motors 14 muß unter Umständen bei Überspannung den Strom im Transistor 15 begrenzen. Von der Basis des Transistors 15 führt eine Leitung zu einem Bezugs punkt t 10 des Basis/Em i t te rspannungs teilers und von dort aus zum Transistor 9, an dessen Eingang ein Vorwiderstand 8 geführt ist welcher am anderen Ende, zur Mitte 4 des Spannungsteilers des linken Längswiderstandes Führt. Dieser Querzweig weist neben dem Vorwiderstand 8 zum Transistor 9 noch einen Parallelwiderstand 16 auf, der zwischen der Basis und dem Mittelpunkt der rechten Brückenhälfte liegt und als Gegenkopplung stabilisierend wirkt. Parallel zu diesen zwei Längszweigen greift nun der Spannungsteiler 6, 7, 11 und 12 mit seinem Bezugspunkt 10 direkt ein und wirkt unmittelbar auf die Basis des Transistors 15. Der NTC-Widerstand 6, zusammen mit dem Widerstand 11 und 12, ebenfalls ein Spannungsteiler (wobei sein relativ kleiner Vorwiderstand 7 weniger ins Gewicht fällt), wirkt mit seinem Potential am ßezugspunkt 10 ein und bestimmt damit die Temperaturabhängigkeit. Die Funktion des Elementes 6 bestimmt also direkt den Kennlinienast A in Figur 2, und dieser Ast kann parallel durch Veränderung des Widerstand des 11 verschoben werden. Der Kennlinienast muß natürlich nicht unbedingt parallel sein, aber wenigstens angenäherte Linearität ist vorteilhaft. Die Basis/Emitterspannung bestimmt durch den NTC-Widerstand 6 und in Verbindung mit diesem dazu in Reihe geschalteten Widerstand 11 die Temperaturabhängigkeit, während die Zenerdiode 3 mit ihrer Grenzspannung die Mindestspannungen und die Mindestdrehzahl des Lüfters gemäß Kennlinienast B garantiert bewirkt.
• Der zum NTC-Widerstand 6 in Reihe liegende Widerstand 7 hat etwa einen Normierungswert (der bei 24 V Nennspannung für einen Arbeitsbereich zwischen 18 und 30 V etwa 1 k0hm beträgt) und schützt, als Vorwiderstand auf den Eingang von 15 wirkend, diesen Darlington-Transistor vor Überlastung. Während der Widerstand 12, etwa eine halbe Normierungseinheit, den einstellbaren und eventuell auf den Wert Nu 11 heriiri ters tellbaren Widerstand 11 ebenfalls schützt. So schwitzt auch der etwa 5 Normierungseinheiten aufweisende Vorwiderstand 8 den Eingang des Transistors 9. Der Parallelwiderstand 16, der als Gegenkopplung wirkt, hat etwa 200 Normierungseinheiten.
• Wenn die Batteriespannung zwischen 18 und 30 Volt schwankt, kann die Spannung am Motor zwischen 17 und 29 Volt betragen.
• Der Transistor 9 bewirkt einen Vergleich zwischen der Motorspannung Ui4 und der Spannung an der Zenerdiode 3 (U3).
• Die eigentliche temperaturabhängige Drehzahlverstellung geschieht durch den Zweig, der aus einem Spannungsteiler mit den Elementen 6, 7, 11 und 12 besteht und der einen NTC-Widerstand 6 enthält. Mit zunehmender Temperatur wird der Widerstand des Elements 6 kleiner, so daß das Potential des Verbindungspunktes 10 erhöht wird. Erreicht dieses Potential die zur Ansteuerung des Transistors 15 erforderliche Höhe, so wird dieser leitend und läßt je nach Temperatur des NTC-Widerstands 6 einen mehr oder weniger groben Kollektorstrom durch den Verbraucher 14, vorzugsweise einen elektronisch kommutierten Gleichstrommotor eines Ventilators, fließen.
• Der beschriebene temperaturabhängige Spannungsteiler würde bei genügend tiefer Temperatur einen so kleinen Ausgangsstrom am Transistor 15 erzeugen, daß der vorzugsweise elektronisch kommutierte Gleichstrommotor des Ventilators nicht sicher anlaufen würde, wenn das Gerät bei dieser tiefen Temperatur eingeschaltet würde, da die elektronische Kommutierungsschaltung eine gewisse Mindestspannung für ihre Funktion benötigt.
• Um diese Mindestspannung zu gewährleisten, ist ein zweiter Schaltungszweig vorgesehen. Er besteht aus einer Zenerdiode 3, den Widerständen 5 und 8 und einem Hilfstransistor 9. Dieser Zweig arbeitet zusammen mit dem Transistor 15 (Endstufentransistor bzw. Leistungstransistor) in an sich bekannter Weise als Spannungsregler. Der Transistor 9 wirkt als Vergleichselement, welches die Potentiale zwischen seinem Emitter und seiner Basis vergleicht, d. h. es wird die Spannung an der Zenerdiode 3 mit der Spannung an dem Verbraucher lz- verglichen. Sobald die Spannunq über dem 'Verbraucher" (Motor 14) um etwa O,6 V kleiner wird als die Spannung an der Zenerdiode, wird der Transistor 9 und damit auch der Transistor 15 leitend und verhindert ein weiteres Absinken der Spannung am Verbraucher 14. Damit ist die gewünschte Begrenzung der Verbraucherspannung auf einen bestimmten unteren Grenzwert erreicht.
• In weiterer Ausgestaltung des Erfindungsgedankens ist in dem temperaturabhängigen Zweig der Schaltung ein Trimmwiderstand 11 vorgesehen, mit dessen Hilfe die Temperaturgrenze des Elements 6, ab der der Lüfter eine Erhöhung seiner Drehzahl erfahren soll, eingestellt werden kann. Fig. 1 zeigt den Stromlaufplan einer bevorzugten Ausführung der Erfindung, Fig. 2 den typischen Verlauf der Verbraucherspannung als Funktion der Temperatur am NTC-Widerstand 6.
• Im Schaubild (Fig. 2) ist die Arbeitsweise der oben beschriebenen Schaltung dargestellt. Durch die Zenerdiode 3 wird verhindert, daß bei Abkühlung die Drehzahl des Ventilatormotors unter den Kennlinienast B absinkt (hier beispielsweise 16 V A= 2000 Umdrehung/min des Ventilatormotors). Die Wirkung des NTC-Wi derstandes 6 ist durch den Kennlinienast A veranschaulicht, wobei dieser Ast durch Verstellung des veränderlichen Widerstandes 11 je nach Bedarf verschoben werden kann, so z. B. wie gestrichelt dargestellt als Ast Al oder A2.
• Die erfindungsgemäße Wirkung der Schaltung wird auch erreicht, wenn parallel zur Basis-Emittcrstrecke des Transistors 15 ein PTC-Widerstand 106 liegt und gleichzeitig zwischen der Basis des Transistors 15 und der Versorgungsleitung 1 (Plus-PoJ) ein Widerstand 112 eingesetzt ist (Fig. 3).
• In Fig. 1 bzw. 3 können die temperaturabhängigen Widerstandselemente 6 bzw. 106 an den Punkten 61, 62 bzw. 63, 64 über Fühlerleitungen herausgeführt werden.
• Die Verwendung des PTC-Widerstandes 106 parallel zur Basis-Emitterstrecke des Transistors 15 für die Spannungsteilung gemäß Fig. 3 hat gegenüber der Ausführung gemäß Fig. 1 den Vorteil, daß bei Unterbrechung der Fühlerleitunq der Ventilator weiteriäuFt, da der Motorstrom dann nicht unterbrochen wird.
• In Fig. 3 liegt parallel zum Widerstand 16 ein Kondensator 21, der Schwingungen zwischen den Transistoren 9 und 15 wesentlich dämpft. Dieser ist auch in der Ausführung nach Fig. 1 von Nutzen.
• Fiq. 4 zeigt eine vereinfachte Variante von Fig. 3. Eine als Block dargestellte Umrandung enthält lediglich die Elemente 112, 106 und 15, die weiter oben beschrieben sind. Der Block hat zwei Einqänge 1, 2, über die die Stromzuführung erfolgt, die über Leitungen 100, 200 zu den zwei Ausgängen 41, 42, an die der Motor 14 geschlossen ist, führen.
• Der Normierungswert des Widerstandes 7 kann von dem Wert, der für die Begrenzung des maximalen Basisstromes des Transistors 15 erforderlich ist, bis zum 0,1-fachen des temperaturabhängigen Widerstandes 6 gehen. Der maximale Basisstrom kann etwa 1 bis 80 mA für den Darlington-Transistor 15 betragen und bis zu 1 A bei einem einfachen Transistor, der den Darlingtontransistor ersetzen kann, gehen.
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Claims (9)

1. Ansprüche 1. Schaltung zur temperaturabhängigen Steuerung der Drehzahl eines Elektromotors, insbesondere eines elektronisch kommutierten Gleichstrommotors, dadurch g e k e n n -z e i c h n e t , daß eine an sich bekannte Stabilisierungsschaltung in H-Form in einem an der Betriebsspannung liegenden Längszweig die Reihenschaltung eines spannungsbegrenzenden Elements (Zenerdiode 3) und eines Widerstandes (5) und im anderen Längszweig die Reihenschaltung eines Transistors (15) und des anzutreibenden Gleichstrommotors (14) und im Querzweig einen Transistor (9) mit einem dazu in Reihe liegenden Vorwiderstand (8) aufweist und daß ein Spannungsteiler als dritter Längszweig aus der Reihenschaltung eines temperaturabhängigen Widerstandselements (6, 106) und mindestens eines Ohm'schen Widerstands (12, 112) direkt auf den Transistor (15) wirkt, indem sein Bezugspunkt (10) mit der Basis des Transistors (15) verbunden ist.
2. 2. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch g e k e n n -z e i c h n e t , daß dem temperaturabhängigen Widerstandselement (6) ein Sicherungswiderstand (7) in Reihe vorgeschaltet ist.
3. 3. Schaltung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß der temperaturabhänqige Widerstand ein NTC-Widerstand (6) mit Vorwiderstand (7) ist, der zwischen dem Bezugspunkt (10) und dem an der Versorgungsleitung liegenden Eingang des Elektromotors (14) liegt.
4. 4. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß der temperaturabhängige Widerstand ein PTC-Widerstand (106) ist, der zwischen dem Bezugspunkt (10) und dam Emitter des Transistors (15) liegt.
5. 5. Schaltung nach Anspruch 4, dadurch g e k e n n -z e i c h n e t , daß zwischen dem Bezugspunkt (10) und dem an der Versorgungsleitung (1) liegenden Eingang (41) des Motors (14) ein Widerstand (112) eingesetzt ist.
6. 6. Schaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß parallel zur Basis/ Kollektorstrecke des Transistors (15) ein Kondensator (21) liegt.
7. 7. Schaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß der Elektromotor eine über einen Kondensatorstrom oder über eine an einer Induktivität auftretende Spannung wirkende Blockiersicherung aufweist.
8. 8. Schaltung nach Anspruch 2, dadurch g e k e n n -z e i c h n e t , daß parallel zur Basis,'Kollektorstrecke des Transistors (15) ein Widerstand (16) vorgesehen ist, der mindestens etwa den l00fachen Wert des Sicherungswiderstandes (7) aufweist.
9. 9. Schaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß der Elektromotor (14) zum Antrieb eines Ventilators verwendet wird.