Tipps und Berechnungen zur Auswahl des richtigen Lüfters

| Autor / Redakteur: Jeff Smoot * / Gerd Kucera

Erste Schritte zum richtigen Lüfter

Lüfter sind in AC- und DC-Ausführung erhältlich und auch nach der Art und Weise kategorisiert, wie die Luft in den Lüfter eindringt und ihn verlässt. Tritt die Luft in der gleichen Ebene aus, in der sie eintritt, liegt ein Axiallüfter vor. Dieser saugt Luft von einer Seite ein und verdrängt sie auf der anderen Seite. Fließt der Luftstrom auf einer anderen Ebene ab, liegt eine Zentrifugalbauweise vor, da die angesaugte Luft im Lüfter die Richtung wechselt und in eine andere Richtung ausgestoßen wird. Dieser Lüftertyp kann die Luft effektiv komprimieren, sodass er einen konstanten Luftstrom bei unterschiedlichen Drücken liefert. Das vielleicht erfolgreichste Radiallüfter-Design ist das Gebläse, das einem Axiallüfter ähnelt, typischerweise aber Luft in einem Winkel von 90 Grad zum Einlass ausstößt.

Das Volumen des erforderlichen Luftstroms und der statische Druck des Systems beeinflussen die Wahl des Lüftertyps für eine bestimmte Anwendung. Axiallüfter eignen sich vorwiegend für hohe Luftströme in Systemen mit niedrigem statischen Druck, während Radiallüfter eine geringere Luftströmung bieten, jedoch gegen höheren statischen Druck.

Bei der Wahl eines Lüfters sind auch die Geräuschentwicklung und elektrische Störungen zu berücksichtigen. Die Vorteile eines DC-Lüfters müssen mit der Geräuschentwicklung während des Betriebs abgewogen werden. Als Faustregel gilt: Je größer der erforderliche Luftstrom ist, desto größer ist die Geräuschentwicklung. Daher erzeugen Axiallüfter weniger Geräusche als ein Gebläse. Ein sorgfältiges Design hinsichtlich optimaler Luftströmung und verringerter Systemimpedanz ist somit entscheidend, um den erforderlichen CFM-Wert als auch den Geräuschpegel zu minimieren.

Zusätzlich zur Geräuschentwicklung können DC-Lüfter andere unerwünschte Auswirkungen auf das System haben. Der Gleichstrommotor innerhalb des Lüfters erzeugt eine gewisse elektromagnetische Störung (EMI). Diese ist normalerweise auf die leitungsgebundene EMI in den Stromleitungen beschränkt und lässt sich mit Ferritperlen, einer Abschirmung oder Filterung unterdrücken. Bei den meisten leiterplattenbasierten Systemen in einem Gehäuse bietet der DC-Axiallüfter den optimalen Kompromiss zwischen Kosten, Geräuschentwicklung, EMI und Leistungsfähigkeit.

Beim Aufbau von Axialventilatoren gibt es Unterschiede, die je nach Anwendung relevant sein können. Sie beziehen sich auf das Lager, das entweder ein Stahlkugellager oder ein Gleitlager (gesintert/gepulvert) ist. Bei konstant niedrigen Temperaturen lassen sich Lüfter mit Gleitlager als auch Lüfter mit Kugellager betreiben. Kugellager erweisen sich jedoch bei variablen oder hohen Temperaturen als zuverlässiger und langlebiger. Lüfter mit Gleitlager, die normalerweise kostengünstiger als solche mit Kugellager sind, kommen zwar zum Einsatz, weisen aber eine kürzere Lebensdauer auf und neigen dazu, bei hohen Temperaturen eher zu versagen.

Axiallüfter werden aufgrund ihrer geringen Größe, niedrigen Stromaufnahme und hohen Luftstrommenge häufig in Racks verwendet. Viele bieten auch zusätzliche Funktionen, mit denen sich die Leistungsfähigkeit des Systems weiter verbessert. Dazu zählt eine Drehzahlregelung, womit sich ein Design hinsichtlich des Gesamtleistungsverbrauchs optimieren lässt. Wie erwähnt, ermöglicht die Berechnung der Mindest-Luftstrommenge, die zum Kühlen einer in einem Gehäuse untergebrachten Leiterplatte erforderlich ist, die Spezifikation eines Lüfters, der unter allen Bedingungen eine ausreichende Kühlung liefern kann. Dies setzt voraus, dass der Lüfter konstant läuft, auch wenn keine maximale Kühlung erforderlich ist. Obwohl dies wahrscheinlich nicht zu einem Versagen führt, sind damit zwar jederzeit Worst-Case-Bedingungen abgedeckt, was aus Systemsicht aber ineffizient ist und die Lebensdauer des Lüfters verkürzt.

Aus diesem Grund wird heute die Temperatur innerhalb eines Gehäuses überwacht und ein Lüfter nur dann zugeschaltet, wenn dies erforderlich ist. Dies erhöht zwar die Lebensdauer des Lüfters und reduziert die Geräuschentwicklung, kann aber aufgrund der thermischen Verzögerung ein Problem darstellen. Auch ein Fehlerzustand kann sich einstellen, sofern der Lüfter aufgrund eines Hindernisses im Ventilator nicht anläuft.

Moderne DC-Axiallüfter wie die CFM-Serie von CUI besitzen standardmäßig eine Schutzfunktion, die einen automatischen Neustart ermöglicht. Diese Funktion erkennt, wenn der Lüftermotor sich nicht dreht und unterbricht automatisch die Stromzufuhr zum Lüfter. Modelle der Serie CFM-60 bieten optional auch einen Drehzahlmesser und eine Erkennung der Drehrichtung. Der Drehzahlmesser erfasst die Drehzahl des Lüftermotors und liefert einen gepulsten Ausgang, der innerhalb des Regelkreises verwendet wird (Bild 4). Stoppt der Motor, endet auch der Puls am Ausgang. Dieser bleibt dann entweder auf High oder Low. Die Erkennung der Drehrichtung dient gleichzeitig als Sperrsensor. Stoppt der Lüftermotor, wird der Ausgang auf High gesetzt und bleibt während des normalen Betriebs auf Low (Bild 5).

Darüber hinaus besteht die Möglichkeit, die Lüfterdrehzahl mit Pulsweitenmodulation (PWM) zu steuern. Der Tastgrad dieses Eingangs bestimmt die Drehzahl des Lüfters, die Beziehung zwischen dem Tastgrad und ob die Lüfterdrehzahl linear ist. Zusammen mit einem einfachen Algorithmus, der auf einem Mikrocontroller läuft, ist es möglich, eine ausgeklügelte Lösung für das Wärmemanagement zu erstellen, die sich an die Systembedingungen anpassen lässt und einen effizienteren Betrieb ermöglicht.

Ein Beispiel für die Implementierung einer Lüftersteuerung besteht aus einem oder mehreren Temperatursensoren, die um eine Platine verteilt sind. Viele moderne ICs enthalten zu diesem Zweck heute Temperatursensoren. Die Einführungen von Zonen bietet eine bessere Sicht auf das System, insbesondere für Bauteile, die für Wärmeschwankungen am anfälligsten sind. Sobald sich die gemessene Temperatur einem vorgegebenen Wert nähert, kann der Lüfter eingeschaltet oder die Drehzahl eines laufenden Lüfters erhöht werden, indem der Tastgrad des PWM-Signals geändert wird. Somit lässt sich die erforderliche Kühlung gewährleisten. Liegt die Innentemperatur wieder unter einem akzeptablen Wert, lässt sich die Lüfterdrehzahl wieder reduzieren.

* Jeff Smoot ist Vice President Application Engineering & Motion Control bei CUI Inc, Tualatin (Oregon/USA).

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