DE1948828C3 - Vorrichtung zum Konstanthalten der Drehzahl eines Gleichstrommotors - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Konstanthalten der Drehzahl eines Gleichstrommotors mit einem die Stromzufuhr zum Motor steuernden und zwischen dem Gleichstrommotor und einer Gleichstromquelle angeordneten Transistor und mit einem mit dem Läufer drehschlüssig verbundenen Fliehkraftregler, der ein von der Fliehkraft beaufschlagtes und durch diese seine elektrischen Eigenschaften änderndes Schaltelement aufweist, das auf den Fliehkraftregler aufgesetzt ist. mit diesem umläuft und mit dem Transistor Teil einer einen Stellwiderstand zum Einstellen der konstant zu haltenden Drehzahl und das Schaltelement in Reihe aufweisenden Abgleichschaltung ist.

Eine derartige Vorrichtung ist bekannt durch die IA-GM 37 31 010. Bei der bekannten Vorrichtung handelt es sich bei dem mit der es beaufschlagenden Fliehkraft seine elektrischen Eigenschaften änderndes Schaltelement um ein Barium-Titanit-Element, das bei Belastung mit mechanischem Druck eine Spannung abgibt. Die diese Spannungsänderung für die Drehzahlregelung auswertende Schaltung ist entsprechend aufgebaut.

DoUn«> :_r, („„η durch di" DT ^{A c} !! 4^ ^an? sir:⁰ Vorrichtung zur Verbesserung herkömmlicher Drehzahiregeiungen. bei denen der Gleichstrommotor in Reihe mit einem Fliehkraftschalter an die Klemmen einer Gleichstromquelle angeschlossen ist. Diese Art der Schaltung ist darin nachteilig, da3 die Lebensdauer des Fliehkraftschalters vermindert ist sowie daß durch Kcntakischnattern die üblichen Nachteile, beispielsweise Geräuscherzeugung, hingenommen werden müssen. Um diese Nachteile auszuschalten, wird in der

■ ο genannten DT-AS die Verwendung eines Transistors vorgeschlagen, über den der in den Gleichstrommotor eingespeiste Strom zum größten Teil fließt und der über einen an seine Basis angeschlossenen und im übrigen mit dem Transistor parallelgeschalteten Fliehkraftschalter steuerbar ist. Die über den Fliehkraftschalter fließende Stromstärke kann so auf einen Bruchteil ihres früheren Wertes vermindert werden. Letztlich wird aber hier an der technischen Konzeption festgehalten, wonach mit dem Gleichstrommotor ein Fliehkraftschalter in Reihe geschaltet ist. der zumindest einen Teil des eingespeisten Stromes führt. Auch bei anderen durch die DT-AS 12 62 414 bekannten Vorrichtungen wird mit Fliehkraftschaltern gearbeitet, die zur Steuerung eines Transistors dienen. Alle mit Fliehkraftschaltern arbeiiende Vorrichtungen sind insoweit nachteilig, als es bei ihnen nur zwei Schaltzustände gibt, je nachdem, ob der Fliehkraftschalter offen oder geschlossen ist. Eine feine Regelung ist auf diese Weise nicht möglich.

Bekannt ist schließlich (Deutsche Patentanmeldung S 13 114) ein Fliehkraftregler für einen Elektromotor mit einem Kohledruckwiderstand, dessen Widerstandswert sich in Abhängigkeit von der Fliehkraft ändert.

Aufgabe der Erfindung ist es. eine Vorrichtung der eingangs genannten bekannten Art so auszugestalten.

daß sich mit passiven Schaltungselementen eine feinansprechende und zuverlässige Regelung auf konstante Drehzahl erzielen läßt.

Diese Aufgabe wird erfindiingsgemäR dadurch gelöst, daß das Schaltelement ein halbleitendes Piezowiderstaiidselement ist, das einen von der beaufschlagenden Fliehkraft abhängigen Widerstandswert hat und in eineii Zweig einer Brückenschaltung angeordnet ist, und daß ein weiterer Transistor so in einer Diagonale der Brückenschaltung angeordnet ist, daß er die Leitfähigkeit des zwischen Gleichstrommotor und Gleichstromquelle geschalteten Transistors in Abhängigkeit von der Spannung an dieser Diagonale der Brückenschaltung steuert.
Man erkennt, daß hier ein besonderes von der Fliehkraft beaufschlagtes Schaltelement, nämlich ein halbleitendes Piezowiderstandselement. in einer besonderen Abgleichschaltung verwendet wird, die als Brückenschaltung mit einem zusätzlichen Transistor ausgestaltet ist, der seinerseits denjenigen Transistor ansteuert, der den Stromfluß von der Gleichstromquelle zum Gleichstrommotor regelt. Die Brückenschaltung spricht auf Unsymmetrie sehr fein an, weshalb man hier besonders gute Regeleigenschaften für die Drehzahl erhält. Unerwünschte Nebenwirkungen wie Kontakt-, schnattern, Wärmeentwicklung u. dgl. treten nicht auf. Die Vorrichtung arbeitet verzögerungsfrei und ist kompakt auszubilden.

In der Zeichnung ist die Erfindung an Hand von Ausiuhi ungsbeispieien veranschaulicht. Es zeigt

F i g. 1 bis 4 Schaltbilder zur Erläuterung verschiedener Ausführungsformen,

Fig.5a und 5b Ansichten zur Erläuterung des ver'.Ycndctcn drdckerripiindikhen Bauelementes und

F ι g. 6 eine graphische Darstellung der dreh/ahlabhängigen Kennlinie des druckempfindlichen Bauelementes.

F i g. I zeigt eine Ausiührungsform mit einem Gleichstrommotor Mi. mit dessen Läufer drehschlüssig s ein Fliehkraftregler 31 verbunden is;. Als druckempfindliches Bauelement dient ein halbleitendes Piezowideriiandselement 32, das über den Riehkraftregler 31 von der Riehkraft beaufschlagt ist. Das Piezowiderstandselement 32, eine Zener-Diode Dn oder eine andere Bezugsspannungsquelle, ein Widerstand Rn festen Widerstandswertes und ein Regelwiderstand 33 bilden eine Brückenschaltung. Ein Transistor Tu ist mit einer Basis an den Verbindungspunkt des Widerstandes Rn und der Zener-Diode Dn und mit seinem Emitter an den Verbindungspunkt des Regelwiderstandes 33 mit dem Piezowiderstandselement 32 angeschlossen. Mit dem Kollektor des Transistors Tu ist ein Widerstand Ru verbunden, der in Reihe mit einem weiteren Widerstand Ra liegt. Am Verbindungspunkt der Widerstände Rn und Rn ist die Basis eines zusätzlichen Transistors Tu angeschlossen, dessen Kollektor-Emitter-Strecke zwischen den Gleichstrommotor Mi und eine Gleichstromquelle Ei geschaltet ist. Im übrigen erfolgt die Schaltung auf die in den Figuren gezeigte Weise.

In Fig. 5a ist der Fliehkraftregler schematisch dargestellt Das Piezowiderstandselement 2 wird von einem Gewichtskorper 4 beaufschlagt, der über eine Feder 5 mit dem Läufer 6 verbunden ist. Ein Pfeil Fgibt die Wirkrichtung der Fliehkraft wieder. Die Fliehkraft ist dem Produkt aus dem Quadrat der Winkelgeschwindigkeit ω und der Masse m des Gewichtskörpers 4 proportional. Bei einer Erhöhung der Winkelgeschwindigkeit oj wird der Gewichtskorper 4 dem Piezowiderstandselement 2 angenähert und wirkt auf dieses ein. In Fig. 5b ist eine Alternative des Riehkraftreglers dargestellt: Das Piezowiderstandselement 22 wird hier durch einen Gewichtskorper 24 in Ruhe beaufschlagt. Der Gewichtskörper 24 ist wieder über eine Feder 25 mit dem Läufer 26 verbunden. Durch den Pfeil Γ ist die 4c Wirkung der Fliehkraft angedeutet, die den Gewichtskörper 24 vom Piezowiderstandselement 22 abhebt.

Fig.6 zeigt in der ausgezogenen Gerade L die Betriebsverhältnisse, wie sie für einen Fliehkraftregler nach F i g. 5a erzielt werden, und in der strichlierten Gerade L' die Verhältnisse, wie sie für einen Fliehkraftregler nach F i g. 5b erzielt werden, ωο ist die Winkelgeschwindigkeit, die der konstant zu haltenden Drehzahl des Gleichstrommotors entspricht. Entsprechend ist der Punkt P derjenige Punkt, an dem der Gewichtskörper 4 bzw. 24 in Anlage am Piezowiderstandselement 2 bzw. 22 ist. Dieser Punkt P liegt in der Darstellung von F i g. 6 kurz vor dem der Winkelgeschwindigkeit ωο entsprechenden Punkt. Geht man davon aus, daß sich die Kennlinie des Piezowiderstandselementes, also die Änderung seines Widerstandswertes r in Abhängigkeit von der Winkelgeschwindigkeit ω jenseits des Punktes P auf die dargestellte Weise geradlinig vollzieht, so erhält man bei der Winkelgeschwindigkeit ωο, die der konstant zu haltenden Drehzahl entspricht, einen Widerstandswert Td bzw. rd' des Piezowiderstandselementes.

Ist nun bei der Ausführungsform nach F i g. 1 die Winkelgeschwindigkeit ω des Gleichstrommotors Μλ kleiner als ωο, so ist der Widerstandswert r des Piezowiderstandselementes 32 so hoch, daß die Emitterspannung des Transistors 71ti geringer ist als seine Basisspannung. Durch den Transistor T31 fließt demnach über die Widerstände Ru und Ru ein starker Kollektorstrom. Ein Teil dieses Kollektorstroms wird dem Steuertransistor Tu als Basisstrom zur Verringerung seines Impedanzwertes zugeführt. Dadurch wird zugleich erreicht, daß dem Gleichstrommotor Mz ein stärkerer Strom zugeführt wird Mit steigender Winkelgeschwindigkeit ω verringert sich der Widerstandswert rdes Piezowiderstandselementes 32 entlang der Geraden L', so daß sich die Emitierspannung des Transistors Tn erhöht Da jedoch die Basisspannung des Transistors 7ji mit Hilfe der Zener-Diode Dn konstant gehalten wird, nimmt sein Kollektorstrom ab. Der Basissirom des Transistors 732 nimmt so ebenfalls ab, sein Impedanzwert wird erhöht. Dies hat zur Folge, daß der dem Gleichstrommotor Mi zugeführte Strom stromstärkenmäßig begrenzt wird. Dadurch wird die Regelgeschwindigkeit ω auf den einzuregelnden Wert ωο herabgesetzt Sinkt die Spannung der Gleichstromquelle Ei infolge Verbrauchs der Batterie od. dgl, so sinkt die Drehzahl des Gleichstrommotors Mi. Der VV/dersiandswert des Piezowiderstandselementes 32 wird erhöht und die Potentialdifferenz über dem Gleichstrommotor Mi verringert. Das hat zur Folge, daß zwischen der Basis und dem Emitter des Transistors Ti\ ein großer Potentialunterschied entsteht. Der Kollektorstrom des Transistors 7ji nimmt also zu, und der Widerstand zwischen dem Emitter und dem Kollektor des Transistors T12 verringert sich. Dadurch nimmt auch der Spannungsabfall am Transistor Tn ab. In dieser Weise wird jede Spannungsverminderung an der Gleichstromquelle Ei ausgeglichen. Die beschriebene Funktionsweise ist nur möglich, wenn der Basisstrom des Transistors 7Ii konstant gehalten wird. Aus diesem Grund ist die Zener-Diode D11 vorgesehen, die eine Bezugsspannungsquelle darstellt.

F i g. 2 bis 4 zeigen abgewandelte Ausführungsformen. Prinzipiell arbeiten diese wie die Ausführungsform nach Fig. 1. Ihre Eigenschaften unterscheiden sich jedoch geringfügig. Bei jeder dieser Ausführungsformen wirkt die von einem mit dem Motorläufer eines Gleichstrommotors verbundene Fliehkraftregler übertragene Fliehkraft auf ein Piezowiderstandselement ein, wodurch sich dessen Widerstandswert ändert, so daß der Abglcichzustand einer Brückenschaltung verändert und hierdurch die Drehzahl des Gleichstrommotors geregelt wird. Der Drehzahlbezugswert hängt vom Widerstandswert rd, rd' usw. des Piezowiderstandselementes ab.

Fig.2 zeigt einen Widerstand /?4i, der an einem Punkt angeschlossen ist, an dem die geregelte Spannung erscheint bzw. an den Kollektor eines Transistors Γ«. Zwischen Emitter und Kollektor des Transistors 7« ist ein Anlaßwiderstand R<w geschaltet.

Fig.3 zeigt an Stelle der Zener-Diode Di\ von F i g. 1 einen Widerstand /?ss. Eine Diode Da und ein Widerstand Äse sind zwischen die beiden Anschlußklemmen der Gleichstromquelle £5 hintereinandergeschaltet. Im übrigen wird bezüglich der Einzelheiten der Schaltungen auf die Figur Bezug genommen. Die Schaltung nach F i g. 3 erzielt auf die beschriebene Weise eine Konstanthaltung der von der Gleichstromquelle abgegebenen Spannung und eine erheblich verbesserte Charakteristik. Die Diode D52 muß jedoch • einen T?i! der Wirkung der Zener-Diode ZJj! vor. Fig.! mit übernehmen. Es ist deshalb erforderlich, eine Diode Di2 von erheblicher Strombelastbarkeit zu verwenden. Im übrigen ist die Zener-Diode Dn zur Erzielung einer exakten Drehzahlkonstanthaitun? nicht erforderlich.

F i g. 4 zeigt eine unter diesem Gesichtspunkt weiter verbesserte Ausführungsform. Der Tatsache, daß eine befriedigende Drehzahlregelung nur erzielt werden kann, wenn die an die Brückenschaltung gelegte Spannung stabilisiert wird, wird hierdurch dadurch Rechnung getragen, daß zwischen den Anschlüssen der Brückenschaltung eine Diode £>>2 geschaltet ist. Der Strom durch die Diode Eki kann eine kleine Stromstärke aufweisen. Entsprechend kann auch die

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wird die Ansprechempfindlichkeit dadurch verbessert, daß statt des Widerstandes /?5i von F i g. 3 ein weiteres; Piezowiderstandselement 64 vorgesehen ist, dessen Kennlinie der das Piezowiderstandselementes 62 entgegengesetzt ist (vergleiche die Geraden L und L' von F i g. 6).

In den F i g. 2 bis 4 sind hier oben im einzelnen nicht erläuterte Schaltungselemente mit den entsprechenden von F i g. 1 vergleichbar.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

3 6121

Claims (3)

1. Patentansprüche:

   f. Vorrichtung zum Konstanthalten der Drehzahl eines Gleichstrommotors mit einem die Stromzufuhr zum Motor steuernden und zwischen dem Gleichstrommotor üiid einer Gleichstromquelle angeordneten Transistor und mit einem mit dem Läi'fer drehschlüssig verbundenen Fliehkraftregler, der ein von der Riehkraft beaufschlagtes und durch diese seine elektrischen Eigenschaften änderndes Schaltelement aufweist, das auf der. Fliehkraftregler aufgesetzt ist. mit diesem umläuft und mit dem Transistor Teil einer einen Stellwiderstand 7um Einstellen der konstant zu haltenden Drehzahl und das Schaltelement in Reihe aufweisenden Abgleichschaltung ist. dadurch gekennzeichnet, daß das Schaltelement ein halbleitendes Piezowiderstandselement (32; 42; 52; 62; 64) ist das einen von der (31; 41; 51; 61) beaufschlagenden Fliehkraft abhängigen Widerstandswert hat und in einen Zweig einer Brückenschaltung (Rn. £bi. 33.32: Rai, Du. 43. 42; Äst. Ri% 53.52; 6Z 63. Rb% 65) angeordnet ist. und daß ein weiterer Transistor (Tu; Tu; 7si; 7ii) so in einer Diagonale der Brückenschaltung angeordnet ist daß er die Leitfähigkeit des zwischen Gleichstrommotor (Mi; Afc; Mr. Mt) und Gleichstromquelle (Ei; Ea; Er. Eb) geschalteten Transistors (Tu; T*2; Ta; Tbi) in Abhängigkeit von der Spannung an dieser Diagonale der Brückenschaltung steuert.
2. 2. Vorrichtung nach Anspruch 1. dadurch gekennzeichnet, daß in die andere Brückendiagonale der Brückenschaltung die Gleichstromquelle (Ea, Ei) und der zwischen diese und den Gleichstrommotor geschaltete Transistor (T*2, Tv) miteinander in Reihe geschaltet sind.
3. 3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2. dadurch gekennzeichnet, daß in die andere Brückendiagonale eine Parallelschaltung der Gleichstromquelle (E%; Eb) mit einem spannungssiabilisierendv.-n Element (Du, Db2) geschaltet ist.