EUR | USD

DC-tuulettimien ohjaus- ja suojausvaihtoehdot yksinkertaistettuna

Kirjoittaja Jeff Smoot, VP of Apps Engineering and Motion Control at CUI Devices

DC-tuulettimet ovat hyvin tunnettu ja laajasti käytetty lämmönhallintamenetelmä ja niitä voidaan käyttää koneelliseen ilmaa käyttävään konvektiojäähdytykseen yksistään, sarjassa ja rinnakkain. Niiden monikäyttöisyys ja suhteellisen yksinkertainen toiminta on tehnyt niistä luotettavan valinnan haluttaessa parantaa loppusovelluksen lämpöprofiilia vuosien ajaksi. Niiden toiminta perustuu perusfysiikkaan, tuulettimien liikuttama ilma jäähdyttää tehokkaasti komponentteja absorboimalla lämpöä ja siirtämällä lämmön laitteen ulkopuolelle. Niiden tehokkuuteen vaikuttavat kuitenkin monet tekijät ja suunnittelijoiden on hyödyllistä ymmärtää hyvin saatavana olevien DC-tuulettimien ominaisuudet ja vaihtoehdot tuulettimien luotettavuuden ja tehokkuuden parantamiseksi.

Kaaviossa luonnollisen konvektion ja koneellisen ilmakonvektiojäähdytyksen vertailuKuva 1: Luonnollisen konvektion ja koneellisen ilmakonvektiojäähdytyksen vertailu (kuvan lähde: CUI Devices)

Voidakseen aloittaa DC-tuulettimen valintaprosessin suunnittelijan on suoritettava perustasoinen lämpöanalyysi voidakseen laskea vaatimukset vähimmäisilmavirralle. Tyypillinen lämpöanalyysi saattaa sisältää lämmönlähteiden, ympäristöolosuhteiden ja lämpötilanousun mallinnuksen. Myös muita tekijöitä, esimerkkinä tuulettimen koko, sen orientaatio sekä ilmavirran kulku sovelluksessa, on otettava huomioon jotta toteutettava ratkaisu olisi sopiva. CUI Devices -yrityksen blogi “Ilmavirtauksen perusteiden ymmärtäminen DC-tuulettimen valitsemiseksi oikein” tarjoaa lisätietoja lämpöanalyysistä ja valintaprosessista.

Kun lämpöanalyysi on suoritettu ja sopivan kokoinen ja sopivalla luokituksella oleva tuuletin on valittu, kaikki mitä on jäljellä on yhdistää sähköt tuulettimeen ja pistää se töihin, eikö vain? Vaikka tuulettimen jatkuva käyttö voi eräissä tilanteissa olla tarpeellista, jatkuva koneellinen ilmajäähdytys ei yleensä ole energiatehokas eikä pitkäkestoinen ratkaisu. Nyyaikaiset DC-tuulettimet tarjoavat suunnittelijoille erilaisia ohjaus-, seuranta- ja suojausvaihtoehtoja, jotka parantavat niiden lämmönhallintakykyä. Tämän artikkelin loppuosa pyrkii käsittelemään näitä ominaisuuksia, niin että suunnittelijat voivat hyödyntää tehokkaampia tekniikoita tuulettimen ohjauksessa.

Tuulettimen kytkeminen päälle ja pois päältä

Kuten yllä todettiin, tuulettimen jatkuva käyttö pitää varmasti lämpötilaherkät komponentit viileinä, mutta se ei ota huomioon käytettävän energian määrää eikä sitä, että tuulettimet sisältävät liikkuvia osia joiden käyttöikä on rajallinen. Kun tuulettimet pyörivät, ne myös synnyttävät ääntä, jota monissa sovelluksissa ja ympäristöissä ei haluta.

Tuulettimen kytkeminen päälle ja pois päältä ennalta asetetuissa lämpötilapisteissä on yksi vaihtoehto, joka vähentää eräitä tuulettimen jatkuvaan käyttöön liittyviä puutteita. Tuulettimen kytkeminen päälle ja pois päältä säästää energiaa vähentämällä tuulettimen pyörimisaikaa ja se vähentää tuulettimen liikkuviin komponentteihin kohdistuvaa rasitusta sekä vähentää tuulettimen ääntä tuulettimen sammuessa lämpötilan laskiessa asetetun pisteen alapuolelle.

Tuulettimen kytkeminen päälle ja pois päältä on kuitenkin monella tapaa liian yksinkertainen tapa hallita koneellista ilmajäähdytystä ja siinä on omat heikkoutensa. Ensiksikin tuulettimen kytkeminen päälle ja pois päältä synnyttää lämpötilaherkille komponenteille kuumia ja kylmiä syklejä. Lämpötilasyklit saattavat olla kriittisille komponenteille yhtä haitallisia tai jopa haitallisempia kuin jatkuva toiminta korkeassa lämpötilassa. Tämä johtuu siitä, että lämpötilasyklit synnyttävät eroja lämpötilakertoimissa ja aiheuttavat lisärasitusta materiaaleille ja juotosliitoksille johtaen näiden ennenaikaiseen vikaantumiseen.

Seuraava tekijä on lämpötilan ylitys, jota ei voida välttää. Tämä johtuu aikaviiveestä siitä kun tuuletin kytketään päälle siihen kun sen synnyttämä ilmavirta alkaa varsinaisesti jäähdyttämään. Tämän viiveen aikana komponentit voivat kuumentua liikaa ellei kytkentäpistettä alenneta. Asetuspisteen alentaminen lisää tuulettimen pyörimisaikaa ja aikaa jolloin se synnyttää ääntä. Lopulta asetuspisteen ympärillä tapahtuvan jatkuvan päälle kytkemisen ja pois päältä kytkemisen välttämiseksi on käytettävä hystereesiä.

Alla esitettävä kaavio esittää lämpötilaylityksen ongelmaa, joka johtuu lämpötilaviiveestä sovelluksissa, joissa tuuletinta kytketään päälle ja pois päältä. Tämä kaavio näyttää halutun asetuslämpötilan askelmuutoksella (vaalean sininen) sekä tuulettimen kytkemisen päälle ja pois päältä (vihreä) sekä todellisen lämpötilan (tumman sininen).

Kaavio: Tuulettimen kytkeminen päälle ja pois päältä voi johtaa lämpötilan ylitykseen ja viiveeseenKuva 2: Tuulettimen kytkeminen päälle ja pois päältä voi johtaa lämpötilan ylitykseen ja viiveeseen (kuvan lähde: CUI Devices)

Nykyaikaiset vaihtoehdot tuulettimen ohjaukseen

Nykyaikaiset DC-tuulettimet tarjoavat suunnittelijoille runsaasti ohjaus- ja suojausvaihtoehtoja, jotka mahdollistavat tarkemmat lämmönhallintajärjestelmät. Nämä parannetut mallit nostavat perustason kytkemisen päälle ja pois päältä uudelle tasolle suorituskyvyssä, hyötysuhteessa ja luotettavuudessa. Ne tarjoavat myös sellaisia suojausvaihtoehtoja, jotka tunnistavat ongelmat ennen kuin ne aiheuttavat vahinkoja tuulettimelle ja komponenteille, joita tuuletin jäähdyttää. Alapuolella esitetään eräitä yleisimpiä tuulettimien ohjus- ja suojausvaihtoehtoja:

Pulssileveysmodulaatio

Pulssileveysmodulaatio (PWM) on yleisin tapa jolla tuulettimen nopeutta ohjataan ja muutetaan lämpötilamuutosten mukaan. PWM-pohjainen vaihtuvanopeuksinen ohjaus tarjoaa paremman käyttöhyötysuhteen kun sen kanssa käytetään sellaisia ohjausalgoritmeja , jotka noudattavat käyttödynamiikkaa jossa tuulettimen nopeutta ohjataan lämpökuorman mukaan.

Myös tuulettimen kytkemistä päälle ja pois päältä voidaan parantaa käyttäen tätä menetelmää ja käyttämällä suljetun silmukan PI- ja PID (Proportional-Integral-Derivative) -ohjausstrategioita. Nämä strategiat auttavat välttämään lämpötilan ylitystä ja alitusta silloinkin kun kuorma muuttuu ja ne takaavat, että ilmavirta pitää olosuhteet halutussa lämpötilassa.

Sulautettu kierroslukusignaali

Suljetun silmukan takaisinkytkennässä ja kehittyneemmässä tuulettimen ohjauksessa käytettävä sulautettu kierroslukumittari tunnistaa tuulettimen kierrosnopeuden mittaamalla pulssimaisen lähtösignaalin taajuuden ja raportoi sen. Se ilmaisee käyttäjälle myös jos tuuletin on pysähtynyt sähkökatkon, esteen tai jonkin muun syyn vuoksi. Järjestelmän kannalta on suuri etu jos tällaiset ongelmat havaitaan mahdollisimman varhaisessa vaiheessa ja tämä mahdollistaa ajoissa suoritetun sammutuksen lämmölle herkkien komponenttien suojelemiseksi.

Automaattinen uudelleenkäynnistyksen suojaus

Automaattinen uudelleenkäynnistyksen suojaus havaitsee jos tuulettimen moottori ei pyöri ja katkaisee automaattisesti sen sähkövirran. Tämä suojaa tuulettimen ohjauspiiriä ja ilmoittaa tuulettimen ohjaimelle välittömistä ongelmista, koska ohjausvirta on katkaistu.

Pyörimisen/pysähtymisen tunnistus

Pyörimisen/pysähtymisen tunnistus kertoo pyöriikö tuulettimen moottori vai onko se pysäytetty ja se suojaa ongelmilta käynnistyksen ja käytön aikana.

Yhteenveto

DC-tuulettimet ovat yleinen valinta komponenttien pitämiseksi toimintarajoissaan ja lämmönhallinnan parantamiseksi sovelluksen muodostaessa liikaa lämpöä. Vaikka tuulettimen tietoinen valitseminen ja jatkuva käyttö perustasoisen lämpöanalyysin jälkeen on tietenkin yksi vaihtoehto, älykkäämpi tuulettimen ohjaus ja suojaus voi tarjota suunnittelijoille pidemmän käyttöiän ja hyötysuhteen. CUI Devices tarjoaa kattavan valikoiman DC-tuulettimia ja puhaltimia erikokoisina ja erilaisilla ilmavirroilla, nopeuksilla ja ohjauksella, mikä tekee tätä prosessista yksinkertaista.

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.

Tietoja kirjoittajasta

Jeff Smoot, VP of Apps Engineering and Motion Control at CUI Devices

Article provided by Jeff Smoot of CUI Devices.