Analoge temperaturabhängige Drehzahlregelung eines Lüfters für die Kühlung von Halbleitern in einem längsgeregelten Labornetzteil

Längsgeregelte Netzteile liefern im Gegensatz zu Schaltnetzteilen eine "saubere" Ausgangsspannung, die im Idealfall frei von hochfrequenten Störungen ist. Nachteilig bei einem längsgeregelten Netzteil ist die zum Teil erhebliche Wärmeentwicklung an den Leistungs-Transistoren, welche vom Betriebszustand abhängig ist. Diese Wärme ist abzuführen. Kühlkörper reichen dazu alleine oft nicht aus. Lüfter erhöhen die Kühlwirkung wesentlich und ermöglichen den Einsatz kleinerer Kühlkörper und somit eine kompakte Bauweise der Geräte.

Eine ausreichende Kühlung erhöht die Betriebsicherheit und Lebensdauer der Elektronik entscheidend. Halbleiter aus Silizium werden in der Regel bei Sperrschichtemperaturen über 200 °C zerstört, weshalb Kühlkörper und Lüfter gegebenenfalls zum Einsatz kommen müssen. Leider erzeugen Lüfter Lärm. Deshalb sollen die Lüfter nur dann laufen, wenn es nötig ist. Und sie sollen wegen der Lärmentwicklung auch nicht unnötig schnell laufen.

Die Lüftersteuerung ist in das Labornetzteil, welches unter Labornetzteil 0-24V 3A aus Schrott beschrieben ist, eingebaut und wurde an diesem getestet. Erstaunlich ist, dass schon eine geringe Lüfterdrehzahl die Kühlung des Kühlkörpers wesentlich verbessert. Eine Erhöhung der Lüfterdrehzahl liefert oft keinen nennenswerten Effekt. Ab einer bestimmten Drehzahl war keine Senkung der Temperatur messbar. Es ist zu vermuten, dass die meisten Lüfter unnötig schnell laufen.

Der Lüfter aus einem alten PC kühlt bei Bedarf die beiden Leistungstransistoren (2N3055) der Längsregelung, welche auf einem gemeinsamen Kühlkörper elektrisch isoliert montiert sind. Der Lüfter bläst gegen den Kühlkörper.

Die Lüfterregelung hat sich in diesem Labornetzteil bewährt.

Wann und warum ist eine Drehzahlregelung sinnvoll? Lüfter erzeugen Lärm. Deshalb sollen sie sich nur so schnell wie nötig drehen oder sich gegebenenfalls ganz abschalten. Bei einem Labornetzteil mit Längsregelung, dessen Spannung einstellbar ist, hängt die Verlustleistung der Transistoren in der Längsregelung von der eingestellten Ausgangsspannung und von dem  Ausgangsstrom ab. Je höher der Ausgangsstrom und je niedriger die Ausgangsspannung ist, desto höher ist die Verlustleistung an den Transistoren der Längsregelung.

Erstes Beispiel bei kleiner Ausgangsspannung und hohem Ausgangsstrom: Am Ladekondensator des Netzteils liegen 30 Volt an.  Das Netzteil ist auf eine Ausgangsspannung von 5 Volt eingestellt und mit 3 Ampere belastet. Dann müssen die Transistoren der Längsregelung überschlägig eine Leistung von P = U * I = (30 Volt - 5 Volt) * 3 Ampere = 25 Volt * 3 Ampere = 75 Watt in  Form von Wärme abführen.  Ein Kühlung ist unbedingt notwendig.

Zweites Beispiel bei hoher Ausgangsspannung und niedrigem Ausgangsstrom: Das gleiche Netzteil liefert jetzt eine Ausgangsspannung 20 Volt und ist mit 0,1 Ampere belastet. An den Transistoren werden nun (30 Volt - 20 Volt) * 0,1 Ampere = 10 Volt * 0,1 Ampere = 1 Watt verbraucht. Der vorhandene Kühlkörper wird mehr als ausreichend sein und eine Zwangsbelüftung durch einen lärmenden Lüfter ist unnötig.

Die notwendige Lüfterdrehzahl hängt also hauptsächlich von der Belastung des Netzteils ab. Eine geringere Rolle spielt die Zimmertemperatur. Es besteht selbstverständlich ein Unterschied, ob das Netzteil bei 18 °C in der Kellerwerkstatt oder bei 32 °C im Hochsommer in der Dachwohnung betrieben wird. Eine geregelte Lüfterdrehzahl kann die unterschiedlchen Umgebungstemperaturen ebenfalls ausgleichen.

Früher hatten längsgeregelte Labornetzteile an der Sekundärwicklung des Netztrafos Anzapfungen, die mit einem Drehschalter ausgewählt werden konnten, um bei niedrigen Ausgangsspannungen die Verlustleistung zu reduzieren.

Neben den Transistoren der Längsregelung stellt der Netztransformator ebenfalls eine erhebliche Wärmequelle dar. In meinem Netzteil erwärmt sich der Netztrafo im Leerlauf auf 33 °C. Dadurch herrscht im Gehäuse eine Temperatur von 30 °C. die Bei einer Belastung von 3 Ampere wird der Trafo 40 °C warm. Die Temperaturerhöhung hängt fast nur vom Ausgangssstrom des Netztrafos ab. Unter Umständen kann es im Gehäuse zu warm werden, weshalb ein weiterer Lüfter, der die warme Luft herausbläst, sinnvoll sein kann. 40 °C sollte die Temperatur im Gehäuse nicht übersteigen.

Wie man die Größe der Kühlkörper berechnet, ist unter Berechnung von Kühlkörpern für Halbleiter beschrieben. Durch diese Berechnung lässt sich die maximal zulässige Temperatur des Kühlkörpers berechnen, die wiederum von der Drehzahl des Lüfters abhängt. Ein Kühlkörpertemperatur von 40 °C oder weniger müssten nach meiner Erfahrung die meisten Halbleiter auf Dauer verkraften.  Es ist also ausreichend, wenn sie die Lüfterregelung bei dieser Temperatur einregelt.

Nachteil einer Zweipunktregelung: Ursprünglich war für das Netzteil eine Zweipunktregelung im Betrieb. Dafür war ein am Kühlkörper eingebauter Thermoschalter vorgesehen, der bei 45 °C einen Kontakt schloss und den Lüfter bei voller Drehzahl in Betrieb setzte. Der Kühlkörper heizte sich bedrohlich auf bis zu 50 °C auf. Dann heulte der Lüfter für einige Minuten auf, bis er sich bei einer Temperatur von 30 °C abschaltete. Der heiße Kühlkörper heizte zudem noch die Temperatur im Gehäuse auf, so dass Heißkleber schmolz. Diese Lösung hatte sich weder für die Elektronik noch wegen der Lärmbelastung als geeignet erwiesen.

Die Schaltung für die analoge Lüfterregelung mit temperaturabhängiger Drehzahl: Sie ist einfach gestaltet und für 12 Volt-Lüfter vorgesehen. Die Versorgungsspannung beträgt 12 bis 15 Volt und muss stabilisiert sein, wozu ein dreibeiniger Spannungsstabilisator dienen kann. Gespeist wird dieser von der Spannung über dem Ladeelko des Netzteils. 

Von Lösungen mit einer Pulsweitenmodulation wurde abgesehen, da diese ebenfalls hochfrequente Störungen erzeugen kann. Bei einer Pulsweitenmodulation laufen die bürstenlosen Lüftermotoren auch bei niedrigen Drehzahlen an und die Verlustleistung des  Schalttransistors ist gering.

Schaltung der analogen Lüfterregelung, an der zwei Lüfter für 12 Volt parallel angeschlossen sind.

Die rosa gekennzeichneten vier Widerstände R1 bis R4 bilden eine Brückenschaltung. R1 ist der NTC. NTC ist die Abkürzung für einen negativen Temperaturkoeffizienten. Ein NTC ist ein Heißleiter.  Eine altertümliche Kohlefadenglühlampe ist ebenfalls ein Heißleiter. Je  höher die Temperatur, desto niedriger sein Widerstand. R3 kann durch ein 10-kOhm-Trimmpoti ersetzt werden, um das Regelverhalten zu beeinflussen.

Die Brückendifferenz-Spannung wird einer invertierenden Operationsverstärker-Schaltung zugeführt. Die beiden blauen Widerstände R5 und R6 sorgen für die Gegenkopplung des invertierenden Verstärkers mit einem Operationsverstärker. Erhöht man R6, reagiert die Schaltung empfindlicher auf Temperaturänderungen. Der Operationsverstärker selbst liefert einen zu geringen Ausgangsstrom. Deshalb ist ihm ein Transistor in Kollektorschaltung (Emittterfolger) nachgeschaltet. Der Transistor und der Operationsverstärker bilden eine Einheit. Zwei Lüfter arbeiten im parallelen Betrieb.

Als Operationsverstärker kann praktisch jeder beliebige Typ zum Einsatz kommen, da keine besonderen Anforderungen erfüllt sein müssen. Ich griff zum TL081, da ich davon 50 Stück besitze. Der ebenfalls kostengünstige TL071 wäre auch geeignet.

Der Transistor muss für eine ausreichende Verlustleistung bemessen sein. Meine Auswahl richtete sich nach der Gehäusebauform, da ebenfalls keine besonderen Anforderungen an den Transistor gestellt werden. Überschlägige Worst-Case- Berechnung der Verlustleistung: Am Transistor fallen grob geschätzt maximal 10 Volt ab. Der Lüfter benötigt maximal 150 mA. Mehr als 1,5 Watt Verlustleistung können auch im schlimmsten Fall am Transistor nicht auftreten. Bei zwei Lüftern ist mit maximal 3 Watt Verlustleistung zu rechnen.

Der 10k-Ohm-NTC hat bei 27 °C etwa 8 kOhm. Diese Temperatur wurde mit den Fingern zum Testzwecken erzeugt. Sie stellt sich dann auch im Betrieb am Kühlkörper ein.

Zu Beginn realisierte ich die Schaltung auf einem Steckbrett, um die Werte von R3 und und R6 experimentell ermitteln zu können. Danach lötete ich die Schaltung auf einer Lochrasterplatte zusammen. Der Transistor muss wie bereits erwähnt die nötige Verlustleistung verkraften können, wobei die Gehäuseform ausschlaggebend ist. Der Transistor, welcher auf dem Steckbrett zu sehen ist, hat sich als geeignet erwiesen. Sein Gehäuse wurde etwa 60 °C warm.  Der kleinere Transistor, welcher auf der Lochrasterplatte zu sehen ist, hat sich als zu klein herausgestellt. Im Betrieb heizte er sich auf 85 °C auf.

Für die Schaltung wurde von Peter, DL5UG, eine Leiterplatte entwickelt, um ein kombiniertes Simulations- und Layout-Programm vorzustellen. Beschrieben ist sein Projekt in der CQ-DL 11 und 12 Jahrgang 2016.

Nachträgliche Abänderungen der Schaltung: Parallel zu den Lüftern schaltete ich einen 100-uF-Elko (C3) und einen 100-nF-Kondensator (C4). Dadurch zuckten die Lüfterrotoren kurz vor dem Anlaufen nicht mehr hin und her. Ohne diese Kondensatoren waren leichte Störungen auf den AM-Bändern eines angeschlossenen Radios zu hören, wenn die Lüfter im Betrieb waren.

Parallel zum NTC brachte ich einen 100-uF-Elko (C2) an. Beim Einschalten des Netzteils drehen dadurch die Lüfter kurzzeitig hoch, was einer Funktionskontrolle entspricht. Bei bestimmten Temperaturverhältnissen springen die Lüfter jetzt beim Einschalten des Netzteils zuverlässiger an. Die genannten Modifikation sind von Fall zu Fall auszuprobieren und hängen von den verwendeten Lüftern ab.

Rot eingezeichnet sind die nachträglichen Abänderungen. Erklärung im Text oberhalb dieses Bildes. R3 lässt sich durch ein 10k-Trimmpoti ersetzen. Mit ihm lässt sich die Temperatur, bei der die Lüfter starten sollen, genau einstellen.

Die Schaltung befindet sich zu Testzwecken auf einem Steckbrett.

Eine Handskizze eleichtert den Versuchsaufbau. Bläst der kleine Lüfter gegen den NTC, fängt die Drehzahl an zu schwanken. Es fehlt ein Kühlkörper, der die  Wärme speichert und somit für ein trägeres Regelverhalten sorgt.
 

 Der schwarze NTC (Heißleiter) im Größenvergleich zu einem Widerstand.

Befestigung des NTC auf dem Kühlkörper mit einem Streifen Lochrasterplatine. Etwas Wärmeleitpaste verbessert den Wärmekontakt.

Die Schaltung ist auf einer Lochrasterplatte realisiert.

Die Lochrasterplatte fand noch auf dem Deckel neben dem Gehäuse-Lüfter Platz. Dieser Lüfter bläst die Luft nach oben aus dem Gehäuse heraus.

Ein dicker 2-Ohm-Widerstand als Last ermöglicht den Betrieb des Netzteils an seiner Belastungsgrenze.

Temperaturangaben: Folgende Temperaturen wurden bei einer Belastung des Netzteils von 2,85 Ampere bei 6,85 Volt nach einer halben Stunde Betrieb gemessen:

Zimmertemperatur: 21 °C
Gehäuse des 2N3055: 27 °C
Kühlkörper oben: 27 - 30 °C
Temperatur im  Gehäuse: 29 - 33 °C
Netztrafo oben: 40 °C
Transistor der Temperaturregelung: 51 °C
Kühlkörper der 15-Volt-Spannungsstabilisierung: 34 °C

Die Lüfter schalten sich 2 bis 3 Minuten nach dem Einschalten ein, wenn das Netztteil sich im kalten Zustand befindet und die angegebene Last angeschlossen ist. Nach dem Entfernen des Lastwiderstands laufen die Lüfter noch 6 Minuten nach.

Auswahl der Lüfter: Die Lüfter stammen aus alten PCs. Lüfter aus AT-Netzteilen haben sich meistens nicht bewährt, da sie erst bei einer Spannung von etwa 8 Volt anspringen. Einmal angesprungen laufen die meisten noch bei 3 Volt bevor sie zum Stehen kommen. Schuld daran ist die Auslegung der Elektronik für den bürstenlosen Betrieb. Besser geeignet waren Lüfter, die für die Külung der CPU ausgelegt sind. Sie sind meistens für eine Drehzahlregelung konzipiert und fangen oft schon bei 5 oder 6  Volt an sich zu drehen. Vorher zuckt der Rotor kurz vor dem Anspringen im Sekundentakt hin und her, wenn sich die Spannung langsam erhöht. Das Verhalten der einzelnen Lüfter muss man ausprobieren. Dabei ist die  Spannung ganz langsam von 0  Volt an hochzudrehen. Parallel zum NTC kann ein Elko von 100 uF dafür sorgen, dass der der Lüfter beim Einschalten des Netzteils kurz anläuft.

Eventuell ist eine separate Lüfterschaltung für den Lüfter der Gehäusekühlung geplant. Sein NTC ist dann in unmittelbarer Nähe des Trafos untergebracht, da die Innentemperatur des Gehäuses hauptsächlich von der Wärmeentwicklung des Trafos abhängt.

Damit der Lüfter nicht rappelt und rattert, dienen an den M4-Schrauben Scheiben aus Silikongummi zur Dämpfung der Vibrationen. Das Silikongummi stammt aus einer Matte für den  Einsatz in Backöfen. Normales Gummi ist ebenfalls geeignet, da der Kühlkörper maximal 30 °C heiß wird. Der Lüfter stammte von einer CPU-Kühlung. Er ist nur mit dem roten und schwarzen Kabel mit der Lüterregelung zu verbinden.

Demontage eines bürstenlosen Lüfters: Dieser Lüfter stammte aus einem alten AT-Netzteil. Eine Spannung von über 20 Volt hatte seine Elektronik zerstört. 16 Volt hielt er kurzzeitig noch zuverlässig aus.

Der Roter ließ sich mit Gewalt vom Rahmen lösen.
 

Zum Vorschein kommt die Elektronik. Die Achse ist mit einem Sprengring gesichert, der mit der Klinge eines Schraubenziehers leicht zu entfernen ist.

Links der Lüfter mit einem ringförmigen Magneten. Rechts daneben der Stator mit den Wicklungen und seiner Steuerelektronik.

Wahrscheinlich handelt es sich bei dem kleinen Bauteil im Vordergrund um einen Hallgenerator.

In den Bildern sind auch die Achse und das Gleitlager zu sehen. Es ist sinnvoll diese zu schmieren. Dazu eignet sich wegen seiner Dicke ein Tropfen Motoröl. Die gebrauchten Lüfter laufen dann ruhiger und der Verschleiß ist geringer.

Schlussbemerkung: Die kompakte Bauweise eines Labornetzteils ist wegen der thermischen Anforderungen eine Herausforderung. Die Probleme, die dabei entstehen, sind aber lösbar. Um so mehr Freude bereitet dann das fertige Ergebnis. Die Bauzeit dieses Netzteils zog sich über mehr als ein Jahr hin. Der Einsatz von gängigen Operationsverstärkern und diskreten Halbleitern wird auch in vielen Jahren noch bei der Ersatzteilbeschaffung keine Schwierigkeiten bereiten.