DE3342031B4

DE3342031B4 - Schaltungsanordnung zur Drehzahlsteuerung eines Elektromotors

Info

Publication number: DE3342031B4
Application number: DE3342031A
Authority: DE
Inventors: Rolf Dr.-Ing. Müller
Original assignee: Papst Licensing GmbH and Co KG
Current assignee: Papst Licensing GmbH and Co KG
Priority date: 1982-11-23
Filing date: 1983-11-22
Publication date: 2005-01-13
Anticipated expiration: 2003-11-23
Also published as: DE3342031A1; US4806832A

Abstract

Schaltungsanordnung zur Drehzahlsteuerung eines Elektromotors (14), bei welcher zwischen zwei Klemmen (1, 2) einer Versorgungsspannung der Elektromotor (14) in Reihe zur Laststrecke einer Verstärkereinrichtung (15) geschaltet ist, und der Steueranschluss der Verstärkereinrichtung (15) mit einem die Drehzahl des Elektromotors (14) bestimmenden Signal beaufschlagbar ist, wobei zwischen die Klemmen (1, 2) der Versorgungsspannung ein Spannungsteiler (6, 7; 11, 12; 106, 112) mit einem ersten Zweig (6, 7) und einem zweiten Zweig (11, 12; 106) geschaltet und in einem Zweig (6, 7; 106) ein temperaturabhängiges Widerstandselement (6; 106) angeordnet und der Verbindungspunkt (10) der beiden Zweige des Spannungsteilers (6, 7, 11, 12; 106, 112) mit dem Steueranschluss der Verstärkereinrichtung (15) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass ein Vergleichselement (9) vorgesehen ist, welches an einem seiner Eingänge (4) an eine stabilisierte Spannung geschaltet ist und dessen anderer Eingang (13) von der Spannung am Elektromotor (14) beeinflusst wird, wobei der Ausgang des Vergleichselements (9) ebenfalls...

Description

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur Drehzahlsteuerung eines Elektromotors gemäß den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1.

Eine solche Schaltungsanordnung ist z. B. aus DE 26 38 615 A1 bekannt. Ähnliche Schaltungsanordnungen sind in DE 17 63 129 A und DE 19 30 141 A beschrieben.

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 DE 30 24 613 A1 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 28 45 437 C2 ). Diese Schaltung ist auf eine stufige Arbeitsweise abgestimmt, wodurch ein hoher Aufwand an Bauteilen, wie beispielsweise Linearisierungsnetzwerk, mehrere Komparatoren, Operationsverstärker usw., erforderlich sind.

Des Weiteren ist auch in der DE 23 31 022 C3 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. Spannungsregelung eines Lüfters, bzw. seines unmittelbar axial direkt antreibenden Gleichstrommotors mit elektronischer Kommutierunq in Abhängigkeit 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 24 19 432 A1 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 sie verhindert, wenn die Spannung von zu kleinen Werten aus sehr langsam ansteigt, den Anlauf eines solchen temperaturgesteuerten Motors. Das Problem besteht auch bei anderer elektrodynamisch wirkender Blockiersicherung, z. B. bei einer solchen, wo über Diodenelemente durch Rotation des Rotormagneten ausgekoppelte Spannungswerte ausgekoppelt werden.

Denn es kann erwünscht sein, gemäss 2 die Lüfterspannung oder seine Drehzahl über der Temperatur linear sich verändern zu lassen, z. B. proportional zum natürlichen Nullpunkt in Celsiusgraden, wie das die 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 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 unabhängig von der Temperatur, d. h. konstant ist. Sie wird durch den Kennlinienast B dargestellt 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, soll die Schaltung selbsttätig gemäss dem Kennlinienast A arbeiten.

Der Erfindung liegt also die Aufgabe zugrunde, eine elektronische Steuerschaltung zu schaffen, mit der in Abhängigkeit von der Temperatur eines Temperatursensors die Drehzahl eines vorhandenen Elektromotors für Gleichstrombetrieb, insbesondere eines elektronisch kommutierten Gleichstrommotors 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 Forderungen zu schaffen, welche neben einer vorzugsweise linearen, insbesondere einer zur Celsuiustemperatur 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 durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.

Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
Es zeigen:
1 ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Schaltung,
2 ein Schaubild der Arbeitsweise der in 1 dargestellten Schaltung,
3 ein zweites Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Schaltung und
4 eine vereinfachte Variante des Ausführungsbeispiels gemäss 3.
Das Ausführungsbeispiel nach der Erfindung gemäss 1 war zunächst für eine Betriebs-Gleichspannung U_PN 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 als Spannungsteiler 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 Elektromotors 14, an dem die Grenzspannungswerte 17 oder 29 Volt liegen, und einer als Transistor (z. B. als Darlington-Transistor) ausgebildeten Verstärkungseinrichtung 15, 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 Verbindungspunkt 10 des Basis/Emitterspannungsteilers 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 Verbindungspunkt 10 direkt ein und wirkt unmittelbar auf die Basis des Transistors 15. Das als NTC-Widerstand ausgebildete Widerstandselement 6, zusammen mit dem Widerstand 11 und 12, ebenfalls ein Spannungsteiler (wobei sein relativ kleiner Widerstand 7 weniger ins Gewicht fällt), wirkt mit seinem Potential am Verbindungspunkt 10 ein und bestimmt damit die Temperaturabhängigkeit. Die Funktion des Widerstandselementes 6 bestimmt also direkt den Kennlinienast A in 2, und dieser Ast kann parallel durch Veränderung des Widerstandes 11 verschoben werden. Der Kennlinienast muss natürlich nicht unbedingt parallel sein, aber wenigstens angenä herte 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 kOhm 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 Null herunterstellbaren Widerstand 11 ebenfalls schützt. So schützt 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 U₁₄ 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 ei nen mehr oder weniger groben Kollektorstrom durch den Elektromotor 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 Elekromotor 14 verglichen. Sobald die Spannunq über dem Elektromotor 14 um etwa 0,6 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 Elekromotor 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. 1 zeigt den Strom laufplan einer bevorzugten Ausführung der Erfindung, 2 den typischen Verlauf der Verbraucherspannung als Funktion der Temperatur am NTC-Widerstand 6.
Im Schaubild (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 VA = 2000 Umdrehung/min des Ventilatormotors). Die Wirkung des NTC-Widerstandes 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 A1 oder A2.
Die erfindungsgemäße Wirkung der Schaltung wird auch erreicht, wenn parallel zur Basis-Emittcrstrecke des Transistors 15 ein als PTC-Widerstand ausgebildetes Widerstandselement 106 liegt und gleichzeitig zwischen der Basis des Transistors 15 und der Versorgungsleitung 1 (Plus-Pol) ein Widerstand 112 eingesetzt ist (3).
In 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 3 hat gegenüber der Ausführung gemäss 1 den Vorteil, dass bei Unterbrechung der Fühlerleitunq der Ventilator weiterläuft, da der Motorstrom dann nicht unterbrochen wird.
In 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 1 von Nutzen.
4 zeigt eine vereinfachte Variante von 3. Eine als Block dargestellte Umrandung enthält lediglich die Elemente 112, 106 und 15, die weiter oben beschrieben sind. Der Block hat zwei Eingänge 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.

Claims

Schaltungsanordnung zur Drehzahlsteuerung eines Elektromotors (14), bei welcher zwischen zwei Klemmen (1, 2) einer Versorgungsspannung der Elektromotor (14) in Reihe zur Laststrecke einer Verstärkereinrichtung (15) geschaltet ist, und der Steueranschluss der Verstärkereinrichtung (15) mit einem die Drehzahl des Elektromotors (14) bestimmenden Signal beaufschlagbar ist, wobei zwischen die Klemmen (1, 2) der Versorgungsspannung ein Spannungsteiler (6, 7; 11, 12; 106, 112) mit einem ersten Zweig (6, 7) und einem zweiten Zweig (11, 12; 106) geschaltet und in einem Zweig (6, 7; 106) ein temperaturabhängiges Widerstandselement (6; 106) angeordnet und der Verbindungspunkt (10) der beiden Zweige des Spannungsteilers (6, 7, 11, 12; 106, 112) mit dem Steueranschluss der Verstärkereinrichtung (15) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass ein Vergleichselement (9) vorgesehen ist, welches an einem seiner Eingänge (4) an eine stabilisierte Spannung geschaltet ist und dessen anderer Eingang (13) von der Spannung am Elektromotor (14) beeinflusst wird, wobei der Ausgang des Vergleichselements (9) ebenfalls mit dem Steueranschluss der Verstärkereinrichtung (15) verbunden ist und damit die Verstärkereinrichtung (15) so steuert, dass am Elektromotor (14) eine durch die stabilisierte Spannung vorgegebene Mindestspannung nicht unterschritten wird.
Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass dem temperaturabhängigen Widerstandselement (6; 106) ein Widerstand (7) in Reihe vorgeschaltet ist.
Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das temperaturabhängige Widerstandselement (6; 106) ein NTC-Widerstand ist.
Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das temperaturabhängige Widerstandselement (6; 106) ein PTC-Widerstand ist.
Schaltungsanordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Verbindungspunkt (10) und dem an der Versorgungsleitung (1) liegenden Eingang (41) des Elektromotors (14) ein Widerstand (112) eingesetzt ist.
Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verstärkereinrichtung (15) als Transistor ausgebildet ist und parallel zur Basis/Kollektorstrecke des Transistors (15) ein Kondensator (21) liegt.
Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektromotor (14) eine über einen Kondensatorstrom oder über eine an einer Induktivität auftretende Spannung wirkende Blockiersicherung aufweist.
Schaltungsanordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass parallel zur Basis Kollektorstrecke des Transistors ein Widerstand (16) vorgesehen ist, der mindestens etwa den 100fachen Wert des Widerstandes (7) aufweist.
Schaltungsanordung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektromotor (14) zum Antrieb eines Ventilators verwendet wird.