EUR | USD

Afbreken van de regel- en beveiligingsopties voor DC-ventilators

Door Jeff Smoot, VP van Apps Engineering and Motion Control bij CUI Devices

Als bekend en breed geïmplementeerd thermisch management apparaat kunnen gelijkstroomventilators individueel, in serie of parallel worden gebruikt om te zorgen voor geforceerde luchtconvectiekoeling. Door hun veelzijdigheid en relatief eenvoudige bediening zijn ze al jaren een solide keuze om het thermische profiel van een eindtoepassing te verbeteren. Geworteld in de basisfysica is de bewegende lucht die de ventilators produceren effectief in het koelen van componenten door het absorberen van warmte en vervolgens het overbrengen van die warmte uit een apparaat dat moet worden afgevoerd. Hun effectiviteit wordt echter beïnvloed door verschillende factoren en ingenieurs kunnen profiteren van een beter begrip van de functies en opties die beschikbaar zijn voor gelijkstroomventilators om hun betrouwbaarheid en efficiëntie te verbeteren.

Diagram van natuurlijke convectie vs. geforceerde luchtconvectiekoelingAfbeelding 1: Natuurlijke convectie vs. geforceerde luchtkoeling (Bron afbeelding: CUI Devices)

Om het selectieproces van de gelijkstroomventilator te beginnen, zal een ingenieur een aantal thermische basisanalyses moeten uitvoeren om de minimale luchtstroombehoefte te berekenen. Een typische thermische analyse kan bestaan uit het modelleren van warmtebronnen, omgevingscondities en temperatuurstijging. Ook andere factoren zoals de grootte van de ventilator, de oriëntatie ervan en het luchtstroompad binnen de toepassing zullen moeten worden overwogen om ervoor te zorgen dat er een passende oplossing wordt geïmplementeerd. CUI Devices' blog, "Inzicht in de grondbeginselen van de luchtstroom voor de juiste selectie van de DC-ventilator" geeft meer details over thermische analyse en het selectieproces.

Als de thermische analyse compleet is en de juiste grootte en de nominale ventilator is gekozen, is het enige wat overblijft de ventilator aan te drijven en aan het werk te laten gaan, correct? Hoewel een ventilator in bepaalde scenario's voltijds kan worden gebruikt, biedt continue geforceerde luchtkoeling over het algemeen geen energiezuinige of langdurige oplossing. De dc-ventilators van vandaag de dag bieden ontwerpers een reeks regel-, bewakings- en beveiligingsopties om hun thermische beheersmogelijkheden te verbeteren. De rest van dit artikel is bedoeld om deze functies te behandelen, zodat ontwerpers kunnen profiteren van meer geavanceerde ventilatorcontroletechnieken.

In-/uitschakelen

Zoals hierboven vermeld, zal de voltijdse werking van de ventilator de temperatuurgevoelige componenten zeker koel houden, maar gaat hij voorbij aan zowel het vermogen dat hij verbruikt als aan het feit dat de ventilatoren bewegende delen hebben met een beperkte levensduur. Wanneer de ventilators draaien, produceren ze ook hoorbaar geluid dat ongewenst kan zijn in een verscheidenheid aan toepassingen en omgevingen.

Het in-/uitschakelen van een ventilator rond een temperatuursetpoint is een alternatieve benadering die een aantal tekortkomingen van de continue werking van de ventilator kan verzachten. De aan/uit-regeltechniek van de ventilator kan energie besparen door de looptijd te beperken, de bewegende onderdelen van de ventilator minder te belasten en het geluid te verminderen wanneer de ventilator uitschakelt als de temperatuur onder het instelpunt zakt.

De aan/uit-regeling van de ventilators is echter ook in veel opzichten te simplistisch voor een aanpak van de geforceerde luchtkoeling en heeft zijn eigen tekortkomingen. In de eerste plaats introduceert de aan/uit-regeltechniek cycli van warm en koud aan de temperatuurgevoelige componenten. Thermische cycli kunnen net zo schadelijk of slechter zijn voor kritische componenten dan de werking bij constant hoge temperaturen. De reden hiervoor is dat het thermisch cycleren zorgt voor verschillen in temperatuurcoëfficiënten die extra spanning op materialen en soldeerverbindingen veroorzaken, wat leidt tot voortijdig falen.

Vervolgens is de factor van de onvermijdelijke thermische overschrijding. Dit is de tijdspanne tussen het inschakelen van de ventilator en het moment dat de geforceerde lucht die hij produceert daadwerkelijk begint af te koelen. Tijdens deze tijdsvertraging kan oververhitting van de componenten optreden, tenzij de "ventilator aan" instelwaarde wordt verlaagd. Ook wordt door het verlagen van het setpoint de tijd dat de ventilator aanstaat en het creëren van hoorbare ruis vergroot. Ten slotte zal hysteresis moeten worden toegepast om te voorkomen dat het setpoint snel wordt in- en uitgeschakeld, wat vaak bekend staat als 'chattering'.

De onderstaande grafiek helpt om het thermische overshoot-dilemma te illustreren dat wordt veroorzaakt door thermische vertraging in aan/uit-toepassingen van de ventilatorregeling. Deze grafiek geeft de gewenste streeftemperatuur weer met een stapsgewijze verandering (lichtblauw), samen met de aan/uit-cyclus van de ventilator (groen), en de werkelijke temperatuur (donkerblauw).

Diagram van aan/uit ventilatortrajecten kan leiden tot thermische doorschieten en achterstandAfbeelding 2: Aan/uit-ventilatorcyclus kan leiden tot thermische doorschieten en vertraging (Bron afbeelding: CUI Devices)

Opties voor het regelen van de ventilators van vandaag

De gelijkstroomventilators van vandaag de dag bieden ontwerpers een scala aan besturings- en beveiligingsopties die het mogelijk maken om het thermisch beheer beter af te stemmen. Deze geavanceerde ontwerpen brengen de basis aan/uit-regeling van de ventilator naar een nieuw niveau van prestaties, efficiëntie en betrouwbaarheid. Er zijn ook beschermingsopties beschikbaar die problemen detecteren voordat ze schade veroorzaken aan de ventilator en de componenten die de ventilator koelt. Enkele van de meest voorkomende opties voor ventilatorregeling en -bescherming komen hieronder aan bod:

Pulsbreedtemodulatie

Pulsbreedtemodulatie (PWM) is een veelgebruikte methode om het toerental van de ventilator te regelen en te wijzigen op basis van variërende thermische omstandigheden. PWM-gebaseerde variabele snelheidsregeling resulteert in een betere operationele efficiëntie wanneer deze gekoppeld wordt aan geavanceerde regelalgoritmen die zich kunnen aanpassen aan de operationele dynamiek die de ventilatorsnelheid aanpast aan de thermische belasting.

De aan/uit-regeling van de ventilator kan ook worden geüpgraded met behulp van deze methode door het toepassen van proportioneel-integraal-afleidende (PI en PID) closed-loop-regelingsstrategieën. Deze strategieën helpen om ondanks veranderingen in de belasting een thermische overschrijding of onderschrijding te voorkomen door ervoor te zorgen dat de luchtstroom de omstandigheden op de gewenste setpointtemperatuur houdt.

Ingebed tachometersignaal

Gebruikt voor closed-loop feedback en meer geavanceerde ventilatorregeling. De ingebouwde toerenteller detecteert en rapporteert de rotatiesnelheid van een ventilator door de frequentie van een gepulseerd uitgangssignaal te meten. Het dient ook als een vergrendelingssensor die de gebruiker waarschuwt als de ventilator is gestopt met werken door stroomuitval, obstructie, enz. Het zo snel mogelijk kunnen detecteren van deze problemen is een groot voordeel voor de werking van het systeem en maakt het mogelijk om tijdig uit te schakelen om temperatuurgevoelige componenten te beschermen.

Auto-herstartbescherming

De automatische herstartbeveiliging detecteert wanneer de ventilatormotor niet kan draaien en schakelt automatisch de aandrijfstroom uit. Dit beschermt het circuit van de ventilatoraandrijving en meldt de ventilatorcontroller bij onmiddellijke problemen als gevolg van het wegvallen van de aandrijfstroom.

Rotatie detectie/vergrendelingssensor

Gebruikt om te detecteren of een ventilatormotor in werking is of gestopt is, is de rotatiedetectie/vergrendelingssensor een beveiliging tegen problemen bij het opstarten of tijdens het gebruik.

Samenvatting

Wanneer een toepassing overtollige warmte produceert, zijn gelijkstroomventilators een veel voorkomende keuze om de componenten binnen hun bedrijfsgrenzen te houden en de warmteafvoer te verbeteren. Terwijl het selecteren en continu laten draaien van een ventilator na enige basis thermische analyse zeker een optie is, kunnen geavanceerdere ventilatorregelingen en -beschermingen ontwerpers een grotere operationele levensduur en efficiëntie bieden. CUI Devices heeft een uitgebreid portfolio van dc-ventilators en blazers met een verscheidenheid aan maten, luchtstromen, snelheden en besturingen om dit proces eenvoudig te maken.

Disclaimer: The opinions, beliefs, and viewpoints expressed by the various authors and/or forum participants on this website do not necessarily reflect the opinions, beliefs, and viewpoints of Digi-Key Electronics or official policies of Digi-Key Electronics.

Achtergrondinformatie over deze auteur

Jeff Smoot, VP van Apps Engineering and Motion Control bij CUI Devices

Artikel geleverd door Jeff Smoot van CUI Devices.