CH649178A5

CH649178A5 - Circuit arrangement for protecting a drive motor against overloading, especially for a dentistry appliance

Info

Publication number: CH649178A5
Application number: CH9722/79A
Authority: CH
Inventors: Gerd Schulz
Original assignee: Kaltenbach & Voigt
Priority date: 1978-11-03
Filing date: 1979-10-30
Publication date: 1985-04-30
Also published as: FR2440638A1; ATA649379A; AT381811B; IT7969140A0; DE2847765C2; JPS5566228A; DE2847765A1; IT1119562B; FR2440638B1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltungsanordnung zum Schutz eines Antriebsmotors vor Überlastung, insbesondere für ein zahnärztliches Arbeitsgerät, mit einer Messschaltung, die bei Ermittlung eines einen festlegbaren Schwellwert überschreitenden und einen Motor-Überlastungsstrom darstellenden Motorstromes ein die Speisung des Motors unterbrechendes Ausgangssignal abgibt.

Es ist bereits eine Schaltungsanordnung zur Regelung der Drehzahl eines Gleichstrommotors, insbesondere für zahnärztliche Handgeräte, bekannt (DT-OS 26 22 656). Bei dieser bekannten Schaltungsanordnung ist ein eine Sollwertspannung liefernder Sollwertgeber vorgesehen, der seine Sollwertspannung einem Komparator zuführt, in welchem diese Sollwertspannung mit der als Istwertspannung dienenden Ankerspannung des Motors verglichen wird. Der Komparator bildet aus den ihm eingangsseitig zugeführten Spannungen eine Regelspannung, die einem im Ankerstromkreis des Motors liegenden Stellglied zugeführt wird. Darüber hinaus wird bei der bekannten Schaltungsanordnung der Sollwertspannung eine dem Motorstrom entsprechende Korrekturspannung aufaddiert. Mit Hilfe dieser bekannten Schaltungsanordnung gelingt es, mit relativ hohem Wirkungsgrad schwankende Lastmomente des Motors durch entsprechende Drehmomente zu kompensieren. Dies bedeutet, dass bei starker Belastung des Motors diesem ein entsprechend hoher Strom für die Ausübung eines erhöhten Drehmoments zugeführt wird.

Obwohl die vorstehend betrachtete bekannte Schaltungsanordnung weitgehend zufriedenstellend arbeitet, zeigt sich jedoch zuweilen, dass es bei sehr starker Überlastung des verwendeten Motors, z.B. bis zum Blockieren des von dem betreffenden Motor angetriebenen Arbeitsgerätes bzw. zahnärztlichen Handstücks, zu einer sehr starken Motorerwärmung kommt, die schädliche Auswirkungen für den Motor haben kann. Überdies überträgt sich eine solche Erwärmung gegebenenfalls auch auf Werkzeuge, die von dem jeweiligen Motor anzutreiben sind und die normalerweise relativ kühl gehalten werden müssen. Dies trifft insbesondere für zahnärztliche Werkzeuge, wie Bohrer, zu.

Der Erfindung liegt demgemäss die Aufgabe zugrunde, einen Weg zu zeigen, wie mit relativ geringem schaltungstechnischen Aufwand eine Schaltungsanordnung zum Schutz eines Antriebsmotors vor Überlastung auszubilden ist.

Gelöst wird die vorstehend aufgezeigte Aufgabe bei einer Schaltungsanordnung der eingangs genannten Art erfin-dungsgemäss dadurch, dass die Messschaltung einen Speicherkreis mit einem Speicherelement enthält, welches mit jeder Ermittelung eines Motor-Überlastungsstromes auflad-bar und während der Zeitspanne zwischen aufeinanderfolgenden Ermittelungen von jeweils gesondert auftretenden Motor-Überlastungsströmen wieder entladbar ist, und dass mit dem Speicherelement eine Auswerteeinrichtung verbunden ist, die erst bei einer einen vorgegebenen Auslöseschwellwert überschreitenden Spannung an dem genannten Speicherelement ein Ausgangssignal abgibt.

Die Erfindung bringt den Vorteil mit sich, dass mit relativ geringem schaltungstechnischen Aufwand ein Antriebsmotor, wie er insbesondere für ein zahnärztliches Arbeitsgerät, z.B. eine Bohrmaschine, verwendet wird, vor Überlastung geschützt werden kann. Dabei führt nicht jede kurzzeitige Überlastung des Antriebsmotors dazu, dass dieser Motor stillgesetzt wird. Vielmehr führen kurzzeitig auftretende Motorüberlastungen erst dann zum Stillsetzen des Motors, wenn diese Überlastungen über die jeweils betrachtete Zeitspanne einer gefährlichen Überlastung des Motors entsprechen. Mit anderen Worten ausgedrückt heisst dies, dass die kurzzeitigen Überlastungen des Motors gewissermassen gespeichert wer5

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den, um bei Erreichen eines vorgegebenen Schwellwerts dann den Motorstromkreis zu unterbrechen.

Zweckmässigerweise ist der genannte Speicherkreis so bemessen, dass seine Ladezeitkonstante kleiner ist als seine Entladezeitkonstante. Vorzugsweise wird die Entladezeitkonstante des betreffenden Speicherkreises sogar viel grösser gewählt als die Ladezeitkonstante. Hierdurch ergibt sich der Vorteil, dass auch mehrere kurzzeitige Überlastungen des Motors noch für einige Zeit gespeichert werden können und gegebenenfalls zum Stillsetzen des Motors führen.

Der jeweilige Motorstrom wird vorzugsweise anhand einer Messspannung bestimmt, die an einem in Reihe zu dem Motor liegenden Messwiderstand abnehmbar ist. Mit diesem Messwiderstand und einer Bezugsspannungsquelle ist ein erster Vergleicher verbunden, der ausgangsseitig über einen ersten Widerstand mit einem Speicherkondensator verbunden ist. Ein zweiter Vergleicher ist mit einem Eingang über einen zweiten Widerstand mit dem Speicherkondensator und mit einem weiteren Eingang an einer gesonderten Bezugsspannungsquelle angeschlossen. Dieser zweite Vergleicher ist ausgangsseitig mit dem im Motorstromkreis liegenden Schaltelement verbunden. Hierdurch ergibt sich ein besonders einfacher Schaltungsaufbau für die Ansteuerung des Speicherkreises und des Motors.

Zweckmässigerweise liegt in dem Ladekreis des Speicherkondensators eine lediglich für einen Ladestrom in Durchlassrichtung gepolte Diode. Hierdurch ergibt sich der Vorteil, dass auf relativ einfache Weise sichergestellt ist, dass eine vom Ausgang des ersten Vergleichers auf den genannten Speicherkondensator aufgebrachte Ladung nicht im Ausgangskreis dieses ersten Vergleichers abgeleitet wird.

Die beiden Vergleicher sind vorzugsweise jeweils durch einen Operationsverstärker gebildet. Hierdurch ergibt sich ein besonders einfacher Schaltungsaufbau.

Vorzugsweise weist der den zweiten Vergleicher bildende Operationsverstärker eine Mitkoppelungsschaltung auf. Dies bringt den Vorteil mit sich, dass dieser Operationsverstärker in einem bestimmten Zustand festgehalten werden kann, in den er durch eine an dem genannten Speicherkondensator liegende und einen vorgegebenen Bezugsschwellwert übersteigende Spannung gebracht worden ist, um damit den Motor stillzusetzen.

Das bereits erwähnte Schaltelement ist zweckmässigerweise durch einen Transistor gebildet, dessen Kollektor-Emit-ter-Strecke in dem Motorstromkreis liegt und dessen Basis durch vom Ausgang des zweiten Vergleichers abgebbare Ausgangssignale steuerbar ist. Hierdurch ergibt sich der Vorteil, dass mit besonders geringem schaltungstechnischen Aufwand der Motorstromkreis steuerbar ist.

Die Basis des genannten Transistors ist zweckmässigerweise mit dem Ausgang des zweiten Vergleichers über einen Verstärker verbunden. Hierdurch ergibt sich der Vorteil einer besonders einfachen Möglichkeit der Entkoppelung des Transistors von dem den zweiten Vergleicher bildenden Operationsverstärker.

Die Basis des genannten Transistors ist überdies zweckmässigerweise mit dem Abgriff eines Potentiometers verbunden, an welchem die Ausgangsspannung des Verstärkers auftritt. Diese Massnahme bringt den Vorteil einer besonders einfachen Möglichkeit der Festlegung des jeweils möglichen Motorstroms mit sich.

Zweckmässigerweise ist der genannte Verstärker ein invertierender Verstärker, dessen Ausgang über ein weiteres Schaltelement mit dem nichtinvertierenden Eingang des den zweiten Vergleicher bildenden Operationsverstärkers verbunden ist. Hierdurch ergibt sich der Vorteil, dass allein durch Schliessen des betreffenden weiteren Schaltelements die Schaltungsanordnung wieder gewissermassen in Betrieb setzbar ist, nachdem der Motor infolge einer entsprechenden Überlastung stillgesetzt worden war.

Anhand einer Zeichnung wird die Erfindung nachstehend an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert.

Die in der Zeichnung dargestellte Schaltungsanordnung umfasst ein Speisespannungs- oder Netzgerät NG, das im vorliegenden Fall mit einer Wechselspannung U_ gespeist wird und das über zwei Leitungen LI, L2 Ausgangsspannungen abgibt, die im vorliegenden Fall Plusspannungen sein mögen. Eine Leitung L3 möge eine Nulleitung sein, die auf Masse- bzw. Erdpotential liegt. Die Leitung L2 mag in bezug auf die Leitung L3 eine Plusspannung von 12 V abgeben. Die Leitung LI mag eine demgegenüber höhere Plusspannung führen.

Zwischen den Leitungen L2 und L3 liegt die Reihenschaltung eines Widerstands R1 und eines Trimmpotentiometers PI. Am gemeinsamen Verbindungspunkt des Widerstands R1 und des Trimmpotentiometers PI ist ein als erster Vergleicher zu betrachtender Operationsverstärker OP1 mit seinem invertierenden Eingang ( —) angeschlossen. Mit seinem nichtinvertierenden Eingang ( + ) ist der Operationsverstärker OP1 über einen Widerstand R2 und einenals Messwiderstand dienenden Widerstand Rm an der Leitung L3 angeschlossen. Dieser Messwiderstand Rm liegt im Stromkreis eines Motors M, der im vorliegenden Fall ein Gleichstrommotor sein mag. Im Stromkreis des Motors M liegt ferner ein Schaltelement, welches durch einen Transistor T gebildet ist, der im vorliegenden Fall vom npn-Leitfähigkeitstyp ist. Im vorliegenden Fall wird die Kollektor-Emitter-Strecke dieses Transistors T als Schaltstrecke ausgenutzt. Der Transistor T ist mit seinem Emitter mit dem Motor M verbunden. Mit seinem Kollektor ist der Transistor T mit der Leitung LI verbunden.

Der Ausgang des Operationsverstärkers OP1 ist über die Reihenschaltung eines Widerstands R3, einer Diode Dl und eines Speicherkondensators C1 mit der Leitung L3 verbunden. Der Widerstand R3 dient, wie weiter unten noch ersichtlich werden wird, als Ladewiderstand für den Speicherkondensator Cl. Die Diode Dl ist dabei so gepolt, dass sie lediglich für eine positive Ausgangsspannung des Operationsverstärkers OP1 in Durchlassrichtung beansprucht ist und somit den Kondensator Cl lediglich auf eine positive Spannung aufzuladen gestattet.

An dem gemeinsamen Verbindungspunkt der Kathode der Diode Dl und der einen Belegung des Kondensators Cl ist über einen Widerstand R4 der nichtinvertierende Eingang ( + ) eines als zweiter Vergleicher dienenden Operationsverstärkers OP2 angeschlossen. Dieser Operationsverstärker OP2 ist mit seinem invertierenden Eingang ( — ) am gemeinsamen Verbindungspunkt zweier Widerstände R5, R6 angeschlossen, die zwischen den Leitungen L2 und L3 liegen und die dem invertierenden Eingang ( — ) des Operationsverstärkers OP2 eine Bezugs- bzw. Schwellwertspannung zuführen.

Der Operationsverstärker OP2 ist mit seinem Ausgang über eine Mitkoppelungsschaltung mit seinem nichtinvertierenden Eingang ( + ) verbunden. Diese Mitkoppelungsschaltung umfasst im vorliegenden Fall die Parallelschaltung eines Widerstands R8 und der Reihenschaltung eines Widerstands R9 und einer Diode D2. Die Diode D2 ist dabei für vom Ausgang des Operationsverstärkers OP2 mit positiver Polarität abgegebene Signale in Durchlassrichtung gepolt. Der Widerstand R8 und der zuvor erwähnte Widerstand R4 stellen für den Speicherkondensator Cl Entladewiderstände dar.

Mit dem Ausgang des Operationsverstärkers OP2 ist ferner ein weiterer Operationsverstärker OP3 mit seinem invertierenden Eingang ( — ) verbunden, und zwar über einen Widerstand RH. Der invertierende Eingang ( — ) des Operationsverstärkers OP3 ist über einen Widerstand RIO an der Leitung L2 angeschlossen. Mit seinem nichtinvertierenden

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Eingang ( + ) ist der'Operationsverstärker OP3 über einen Widerstand R7 an den gemeinsamen Verbindungspunkt der bereits erwähnten Widerstände R5 und R6 angeschlossen. Ausserdem ist der Operationsverstärker OP3 mit seinem nichtinvertierenden Eingang ( + ) über einen Speicherkondensator C2 an der Leitung L3 angeschlossen. Dem Speicherkondensator C2 liegt die Reihenschaltung eines Widerstands R12 und eines Schalterelements S1 parallel. Ferner ist der nichtin-vertierende Eingang ( + ) des Operationsverstärkers OP3 mit der Kathode einer Diode D3 verbunden, die mit ihrer Anode am nichtinvertierenden Eingang ( + ) des bereits erwähnten Operationsverstärkers OP2 angeschlossen ist.

Der Operationsverstärker OP3 ist mit seinem Ausgang über ein Potentiometer P2 an der Leitung L3 angeschlossen. Der Schleifer des Potentiometers P2 ist mit der Basis des bereits erwähnten Transistors T verbunden.

Im folgenden sei die Arbeitsweise der in der Zeichnung dargestellten Schaltungsanordnung näher betrachtet. Dazu sei angenommen, dass die Schaltungsanordnung so bemessen bzw. eingestellt sei, dass der Motor M über den im leitenden Zustand befindlichen Transistor T einen Strom zugeführt erhält. Wenn nun aus irgendeinem Grunde der Motor M einen erhöhten Strom zieht, wird an den Messwiderstand Rm ein entsprechend höherer Spannungsabfall auftreten, der dem nichtinvertierenden Eingang ( + ) des Operationsverstärkers OP1 zugeführt wird. Dieser Operationsverstärker OP1 setzt diese Messspannung mit einer seinem invertierenden Eingang ( - ) zugeführten Bezugs- bzw. Schwellwertspannung in Beziehung und gibt ausgangsseitig eine der Differenz zwischen den beiden eingangsseitig zugeführten Spannungen entsprechende Ausgangsspannung ab. Mit dieser Ausgangsspannung wird der Speicherkondensator Cl über den Widerstand R3 und die Diode Dl aufgeladen. Die Ladezeitkonstante, die im wesentlichen durch den Widerstandswert des Widerstands R3 und den Kapazitätswert des Speicherkondensators Cl bestimmt wird, wird wesentlich kleiner gewählt als die Entladezeitkonstante, die durch die Kapazität des Kondensators Cl und durch die Widerstandswerte der Widerstände R4 und R8 bestimmt ist. Dies bedeutet, dass aufeinanderfolgend auftretende kurzzeitige Überlastungen des Motors M und damit verbunden kurzzeitig auftretende Messspannungserhöhungen an den Messwiderstand Rm dazu führen, dass auf dem Speicherkondensator Cl entsprechende Ladungen akkumuliert werden. Übersteigt die an dem Kondensator Cl liegende Spannung die dem Operationsverstärker OP2 an seinem invertierenden Eingang ( - ) zugeführte Spannung, so gibt dieser Operationsverstärker OP2 von seinem Ausgang ein

Ausgangssignal ab, welches über den als invertierenden Verstärker betriebenen Operationsverstärker OP3 dazu führt,

dass der Transistor T - der bisher im leitenden Zustand war -in seinen nichtleitenden Zustand überführt wird. Dadurch ist der Stromkreis des Motors M unterbrochen.

Der zu dieser Unterbrechung des Motorstromkreises führende Zustand wird unter Einschluss des Operationsverstärkers OP2 festgehalten. Wie oben erläutert, ist der Ausgang des Operationsverstärkers OP2 mit dessen nichtinvertierenden Eingang ( + ) über eine Mitkoppelungsschaltung verbunden, die den Widerstand R9 und die Diode D2 umfasst. Aufgrund des Vorhandenseins dieser Mitkoppelungsschaltung wird der Operationsverstärker OP2 auf seine einmal erfolgte entsprechende Ansteuerung durch die am Speicherkondensator C1 liegende Spannung weiterhin eine solche Ausgangsspannung abgeben, dass der Transistor T weiterhin im nichtleitenden Zustand verbleibt. Aus diesem Zustand kann die erläuterte Schaltungsanordnung dadurch herausgeführt werden, dass kurzzeitig die gesamte Versorgungsspannung abgeschaltet wird. In diesem Fall entlädt sich dann der Kondensator C1, und am nichtinvertierenden Eingang ( + ) des Operationsverstärkers OP2 liegt dann wieder eine solche Spannung, dass der Transistor T in den leitenden Zustand überführbar ist. Bei der in der Zeichnung dargestellten Schaltungsanordnung kann diese Wirkung jedoch auch durch Schliessen des Schalterelements S1 erreicht werden. In diesem Fall wird nämlich die am nichtinvertierenden Eingang ( + ) des Operationsverstärkers OP2 liegende Spannung so weit vermindert, dass der Transistor T wieder in den leitenden Zustand gelangen kann.

Abschliessend sei noch angemerkt, dass der Ladekreis und der Entladekreis des Speicherkondensators C1 vorzugsweise so bemessen sein werden, dass die Entladezeitkonstante viel grösser ist als die Ladezeitkonstante. Dadurch gelingt es auf besonders einfache Weise, das kurzzeitige Auftreten von mehreren Überlastungen noch als gewissermassen zulässige Überlastungen zuzulassen, während erst bei Auftreten einer grösseren Anzahl von kurzzeitigen Überlastungen der Stromkreis des Motors M unterbrechbar ist. Mit Hilfe des Trimmpotentiometers PI ist es dabei möglich, die Schwelle einzustellen, bei deren Überschreiten durch die Messspannung an dem Messwiderstand Rm von dem Operationsverstärker OP1 eine entsprechende Ladespannung an den Kondensator Cl abgegeben wird. Durch Einstellen des Potentiometers P2 ist andererseits die maximal mögliche Drehzahl des Motors M festlegbar. Dies geschieht durch eine entsprechende Steuerung des Transistors T.

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1 Blatt Zeichnungen

Claims

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1. Schaltungsanordnung zum Schutz eines Antriebsmotors vor Überlastung, insbesondere für ein zahnärztliches Arbeitsgerät, mit einer Messschaltung, die bei Ermittlung eines einen festlegbaren Schwellwert überschreitenden und einen Motor-Überlastungsstrom darstellenden Motorstromes ein die Speisung des Motors unterbrechendes Ausgangssignal abgibt, dadurch gekennzeichnet, dass die Messschaltung (OP1, OP2) einen Speicherkreis (Cl, R3, R4, R8) mit einem Speicherelement (Cl) enthält, welches mit jeder Ermittlung eines Motorüberlastungsstromes aufladbar und während der Zeitspanne zwischen aufeinanderfolgenden Ermittlungen von jeweils gesondert auftretenden Motor-Überlastungsströmen wieder entladbar ist, und dass mit dem Speicherelement (Cl) eine Auswerteeinrichtung (OP2) verbunden ist, die erst bei einer einen vorgegebenen Auslöseschwellwert überschreitenden Spannung an dem genannten Speicherelement (Cl) ein Ausgangssignal abgibt.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Speicherkreis (Cl, R3, R4, R8) so bemessen ist, dass seine Ladezeitkonstante kleiner ist als seine Entladezeitkonstante.

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PATENTANSPRÜCHE

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Messschaltung einen Messwiderstand (Rm) zum Messen des Motorstroms aufweist, dass mit dem Messwiderstand (Rm) und einer Bezugsspannungsquelle (Rl, PI) ein erster Vergleicher (OP1) verbunden ist, der aus-gangsseitig über einen ersten Widerstand (R3) mit einem Speicherkondensator (Cl) verbunden ist, dass ein zweiter Vergleicher (OP2) mit einem Eingang über einen zweiten Widerstand (R4) mit dem Speicherkondensator (Cl) und mit einem weiteren Eingang an einer gesonderten Bezugsspannungsquelle (R5, R6) angeschlossen ist und dass der zweite Vergleicher (OP2) ausgangsseitig mit einem im Motorstromkreis liegenden Schaltelement (T) verbunden ist.

4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Ladekreis des Speicherkondensators (Cl) eine lediglich für einen Ladestrom in Durchlassrichtung gepolte Diode (Dl) liegt.

5. Schaltungsanordnung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Vergleicher (OP1, OP2) jeweils durch einen Operationsverstärker gebildet sind.

6. Schaltungsanordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der den zweiten Vergleicher (OP2) bildende Operationsverstärker eine Mitkoppelungsschaltung (R9, D2) aufweist.

7. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Schaltelement (T) durch einen Transistor (T) gebildet ist, dessen Kollektor-Emitter-Strecke in dem Motorstromkreis liegt und dessen Basis durch vom Ausgang des zweiten Vergleichers (OP2) abgebbare Ausgangssignale steuerbar ist.

8. Schaltungsanordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Basis des Transistors (T) mit dem Ausgang des zweiten Vergleichers (OP2) über einen Verstärker (OP3) verbunden ist.

9. Schaltungsanordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Basis des Transistors (T) mit dem Abgriff eines Potentiometers (P2) verbunden ist, an welchem die Ausgangsspannung des Verstärkers (OP3) auftritt.

10. Schaltungsanordnung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Verstärker (OP3) ein invertierender Verstärker ist, dessen Ausgang über ein weiteres Schaltelement (S 1) mit dem nichtinvertierenden Eingang ( + ) des den zweiten Vergleicher bildenden Operationsverstärkers (ÓP2) verbunden ist.