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Schaltungsanordnung zur Regelung einer Zustandsgröße eines umkehrbaren
Wandlers Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltungsanordnung zur Regelung einer
Zustandsgröße eines umkehrbaren Wandlers.
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Anwendungsfälle einer solchen Schaltungsanordnung sind beispielsweise
die Drehzahlregelung eines Gleichstrom-Nebenschlußmotors oder die Regelung der Temperaturdifferenz
der beiden Leiterverbindungsstellen eines Peltierelementes. Im Folgenden sei die
Problemstellung an Hand des praktisch besonders wichtigen Falles der Drehzahlregelung
eines Gleichstrom-Nebenschlußmotors näher erläutert.
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Zur Drehzahlregelung eines Gleichstrom-Nebenschlußmotors ist es bekannt,
den Motor mit einem gesonderten Tachogenerator zu koppeln, dessen der Istdrehzahl
proportionale Spannung mit einer der Solldrehzahl entsprechenden Spannung verglichen
wird, wobei eine der Differenz der beiden Drehzahlen proportionale Spannung dem
Motor zugeführt wird. Die Verwendung eines solchen Tachogenerators bedingt jedoch
eine in vielen Fällen sehr unerwünschte erhebliche
Baugröße des
Antriebs. Auch die Herstellungskosten sind erheblich.
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Es ist weiterhin eine Schaltungsanordnung bekannt, bei der der Motor
in einer Brückenschaltung angeordnet ist, wobei die Gegen-EMK des Motors als Tachospannung
ausgenutzt wird. Da jedoch der ohmsche Widerstand des Motors nicht konstant (insbesondere
stark von der Betriebstemperatur abhängig) ist und auch der Übergangswiderstand
der Bürsten nicht genau definiert werden kann, wird das Brükkengleichgewicht leicht
gestört. Diese Schaltungsanordnung gestattet daher nur einen verhältnismäßig kleinen
Drehzahlregelungsbereich.
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Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, unter Vermeidung
der Mängel der bekannten Ausführungen eine Schaltungsanordnung zu entwickeln, die
einen sehr weiten Regelbereich besitzt und sich durch einen einfachen, räumlich
gedrängten Aufbau auszeichnet.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Wandler
(also beispielsweise ein Gleichstrom-Nebenschlußmotor) einerseits über einen steuerbaren
Schalter an eine Speisespannungsquelle und andererseits an den einen Eingang eines
Differenzverstärkers angeschlossen ist, dessen anderer Eingang mit einem Sollwertgeber
und dessen Ausgang über ein Zeitverzögerungsglied mit dem Steueranschluß des Schalters
verbunden ist.
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Der Erfindung liegt damit die Idee zugrunde, die Umkehrbarkeit des
Wandlers für die Regelung auszunutzen: So lange die Zustandsgröße des Wandlers unter
dem Sollwert liegt, iet der steuerbare Schalter geöffnet, so daß der Wandler von
der Speisespannungsquelle her Ehergie aufnimmt.
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Überschreitet die zu regelnde Zustandsgröße des Wandlers dagegen den
Sollwert, so liefert der nunmehr als Geber wirkende Wandler eine die Sollwertspannung
übersteigende Istwertspannung an den Differenzverstärker, was zur Folge hat, daß
der steuerbare Schalter geöffnet und damit die Energiezufuhr zum Wandler unterbrochen
wird, bis dessen zu regelnde Zustandsgröße wieder unter den Sollwert gesunken ist.
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Ein wesentlicher Vorteil der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung
besteht in dem außerordentlich großen Regelbereich. So läßt sich beispielsweise
die Drehzahl eines Gleichstrom-Nebenschlußmotors bei vollem Drehmoment im Verhältnis
1:1000 ändern, was mit bisher üblichen Schaltungen auf einfache Weise nicht möglich
ist.
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Ein weiterer Vorzug der neuen Schaltungsanordnung liegt in ihrem
guten Wirkungsgrad, da der steuerbare Schalter praktisch keine Leistung verbraucht.
Infolgedessen können auch aufwendige Kühleinrichtungen entfallen.
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Zwei Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung
sind in der Zeichnung veranschaulicht.
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Figur 1 zeigt eine Schaltungsanordnung zur Regelung der Drehzahl
eines Gleichstrom-Nebenschlußmotors M. Die Schaltungsanordnung enthält im wesentlichen
einen durch einen Transistor T1 gebildeten steuerbaren Schalter, einen beispielsweise
als Operationsverstärker ausgebildeten Differenzverstärker OP, eine Diode Dl, ein
durch einen gondensator C1 und einen Widerstand RX gebildetes Zeitverz6-gerungsglied,
ferner einen Schmitt-Trigger ST (enthaltend die Transistoren 2 und T3) sowie einen
durch ein Potentiow meter P1 gebildeten Sollwertgeber.
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Der Motor M ist einerseits über den Transistor T1 mit einer Speisespannungsquelle
(+Ub) verbunden und andererseits an den einen Eingang (E-) des Differenzverstärkers
OP angeschlossen. Der andere Eingang des Differenzverstärkers OP ist mit dem Abgriff
des Potentiometers P1 verbunden.
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Der Ausgang A des Differenzverstärkers OP ist über die Diode D1 mit
der Basis des Transistors T2 verbunden.
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Die bekannte Schaltung des Schmitt-Triggers ST bedarf keiner näheren
Erläuterung.
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Die Wirkungsweise der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung ist folgendermaßen:
Der Transistor T1 wird durch den Schmitt-Trigger ST nur impulsweise geöffnet und
gesperrt. Ist der Transistor T1 gesperrt, so liegt am Eingang E- des Differenzverstärkers
OP nur die Gegen-EMK des Motors M. Ist sie kleiner als die am Eingang E+ anliegende
Sollspannung (ist also die Drehzahl des Motors M kleiner als der Sollwert), so tritt
am Ausgang A des D fferenzverstärkers OP ein positives Signal auf.
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Dieses positive Signal gelangt über die Diode D1 einerseits an das
von C1 und R1 gebildete Zeitverzögerungsglied und lädt infolgedessen den Kondensator
Ci auf und andererseits an den Eingang des SchmLtt-Triggers ST. Hierdurch wird der
Transistor T2 geöffnet und der Transistor T3 gesperrt. Damit tritt an dem mit dem
SteueranschluR (Basis) des Transistors T1 verbundenen Ausgang Q2 des Schmitt-Triggers
ST annähernd die Speisespannung Ub auf, so daß der Transistor T1 leitend wird.
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Der Motor M erhält also nun die volle Speisespannung
+Ub
und wird hierdurch beschleunigt. Da diese Spannung +Ub auch am Eingang E- des Differenzverstärkers
OP liegt und diese Spannung +Ub in jedem Falle größer als die an E+ anliegende Sollspannung
ist, tritt am Ausgang des Differenzverstärkers OP ein negatives Signal auf, das
jedoch durch die Diode D1 vom Eingang des Schmitt-Triggers ST ferngehalten wird.
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Da zuvor jedoch der Kondensator Ci des Zeitverzögerungsgliedes durch
das positive Signal aufgeladen worden war, bleibt der Schmitt-Trigger ST noch so
lange in seiner Arbeitslage, bis die Spannung am Kondensator C1 über den Widerstand
R1 auf die Abfallspannung abgesunken ist. Dann sperrt der Transistor T2 während
T3 öffnet, so daß auch T1 geöffnet wird. In der kurzen Zeitspanne, in der der Schmitt-Trigger
ST in seine Arbeitslage gekippt war, erhält der Motor also einen kräftigen Impuls,
der ausreicht, um seine Drehzahl auf einen Wert ansteigen zu lassen, der etwas höher
als der Sollwert liegt. Die Zeitdauer des genannten Impulses hängt von der Dimensionierung
der Elemente C1 und R1 des Zeitverzögerungsgliedes ab. Nach Wegfall des dem Motor
M zugeführten Speisespannungsimpulses liegt am Eingang E- des Differenzverstärkers
OP wieder die Gegen-EMZ des Motors. Solange sie noch größer als die Sollspannung
ist, herrscht am Ausgang A ein negatives Signal. Sobald die Drehzahl jedoch unter
den Sollwert fällt und infolgedessen die Gegen-S!K des Motors kleiner als die Sollspannung
wird, tritt am Ausgang A des Differenzverstärkers wieder ein positives Signal auf,
so daß der Motor in der erläuterten Weise se einen erneuten Speisespannungsimpuls
erhält.
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Figur 2 zeigt eine vereinfachte Schaltungsanordnung, bei der der
Schmitt-Trigger ST sowie der Widerstand R1 des zuvor erläuterten Ausführungsbeispieles
weggelassen sind.
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Die Wirkungsweise der Schaltungsanordnung gemäß Figur 2
ist
jedoch ganz ähnlich: Tritt am Ausgang A des Differenzverstärkers OP ein positives
Signal auf (wenn die Drehzahl des Motors M unter den Sollwert gefallen ist), so
gelangt dieses positive Signal über die Diode D1 an die Basis des Transistors T1
und öffnet diesen Transistor, so daß der Motor M einen Speisespannungsimpuls erhält.
Gleichzeitig wird durch den über die Diode D1 zugeführten positiven Impuls der Kondensator
C1 geladen. Er hält den Transistor T1 infolgedessen auch nach Wegfall des am Ausgang
A auftretenden positiven Signales noch eine kurze Zeitspanne geöffnet.
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Bei den erläuterten Ausführungsbeispielen wurde angenommen, daß durch
die Schaltungsanordnung die Drehzahl des Motors M konstant gehalten werden soll,
In diesem Falle wird durch das Potentiometer P1 eine konstante Sollwertspannung
vorgegeben.
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Die Schaltungsanordnung kann selbstverständlich jedoch auch zur Nachführsteuerung
benutzt werden: Wird am Eingang E+ des Differenzverstärkers ein sich ändernder Sollwert
(beispielsweise ein auf beliebige Weise ermittelter Meßwert) vorgegeben, so sorgt
die Schaltungsanordnung dafür, daß sich die Drehzahl des Motors M genau proportional
diesem Sollwert ändert.
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Bei den erläuterten Ausführungsbeispielen wurde ferner als Wandler
ein Gleichstrom-Nebenschlußmotor vorgesehen, wobei als geregelte Zustandsgrdße dieses
umkehrbaren Wandlers die Drehzahl des Gleichstrommotors angenommen wurde. Wie eingangs
bereits erwähnt, beschränkt sich die Erfindung jedoch nicht auf diesen Anwendungsfall.
Der umkehrbare Wandler kann beispielsweise auch ein Peltierelement und die geregelte
Zustandsgröße die Temperaturdifferenz
der beiden Leiterverbindungsstellen
des Peltierelementes sein. Das Peltierelement, das in der Schaltungsanordnung an
derselben Stelle wie der Motor M eingesetzt wird, erhält eine impulsweise Speisung
über den Transistor T1, so lange die Temperaturdifferenz der beiden Leiterverbindungsstellen
des Peltierelementes kleiner als die Solltemperaturdifferenz ist. übersteigt dagegen
die Temperaturdifferenz den Sollwert, so wirkt das Peltierelement umgekehrt als
Thermoelement: Die durch die Temperaturdifferenz entwickelte Gleichspannung liegt
am Eingang E- des Differenzverstärkers OP und sorgt (da sie die am Eingang E+ anliegende
Sollspannung übersteigt) dafür, daß der Transistor T1 geöffnet und die Energiezufuhr
damit unterbrochen bleibt.