DE2847765C2 - Schaltungsanordnung zum Schutz eines Antriebsmotors vor Überlastung, insbesondere für ein zahnärztliches Arbeitsgerät - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltungsanordnung, wie sie im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegeben ist.

Es ist bereits eine Schaltungsanordnung zur Regelung der Drehzahl eines Gleichstrommotors, insbesondere für zahnärztliche Handgeräte, bekannt (DE-OS 26 22 656). Bei dieser bekannten Schaltungsanordnung ist ein eine Sollwert^pannung liefernder Sollwertgeber vorgesehen, der seine Sollwertspannung einem Komparator zuführt, in welchem diese Soilwertspannung 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 Lastmoinente 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 Arbeitsgerätt-s 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.

Es ist nun zwar auch schon gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 eine Schaltungsanordnung zur Überwachung der Erwärmung von stromdurchflossenen Schützlingen, insbesondere Motoren und Transformatoren, bekannt (DE-AS 22 58 174), welche die zu überwachenden Ströme in eine Spannung umformt, die ein Spannungs-Frequenz-Wandler in Impulse umwandelt, deren Frequenz im Quadrat des jeweiligen Stromes proportional ist. Dabei weist die betreffende bekannte Schaltungsanordnung ein Speicherglied auf, dem die betreffenden umgewandelten Signale zugeführt werden. Nach Erreichen eines bestimmten Speicherinhaltes in

dem genannten Speicherglied wird ein über eine Schaltstufe angesteuerter Schalter im Stromkreis des jeweiligen Schützlings ausgelöst. Das erwähnte Speicherglied ist insbesondere als mehrstufiger Vorwärts-Rückwärts-Zähler ausgebildet, der von einem Impulsgenerator her mit Zählimpulsen beaufschlagt wird. Obwohl mit Hilfe der gerade betrachteten bekannten Schaltungsanordnung die Erwärmung von stromdurchflossenen Schützlingen relativ wirksam überwacht werden kann, bringt die betreffende w bekannte Schaltungsanordnung jedoch einen relativ hohen schaltungstechnischen Aufwand mit sich, was an sich unerwünscht ist.

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 durch die im kennzeichnenden Teil des Patentan- >o Spruchs 1 angegebenen Merkmale.

Die Erfindung bringt den Vorteil mit sich, daß mit einem insgesamt relativ geringen 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 werden, um bei Erreichen eines vorgegebenen Schwellwertes dann den Motorstromkreis zu unterbrechen.

Bei Ausgestaltung der Schaltungsanordnung gemäß der Erfindung in der im Anspruch 2 gekennzeichneten Weise ergibt sich der Vorteil eines besonders einfachen Schaltungsaufbaus für die Ansteuerung des Speicherkreises und des Motors.

Bei Ausgestaltung der Schaltungsanordnung gemäß der Erfindung in der im Anspruch 3 gekennzeichneten Weise ergibt sich der Vorteil, daß auf relativ einfache Weise sichergestellt ist, daß eine vom Ausgang des ersten Operationsverstärkers auf den genannten Speicherkondensator aufgebrachte Ladung nicht im Ausgangskreis dieses ersten Operationsverstärkers abgeleitet wird. '>«>

Bei Ausgestaltung der Schaltungsanordnung gemäß der Erfindung in der im Anspruch 4 gekennzeichneten Weise ergibt sich der Vorteil, daß der genannte zweite Operationsverstärker in einem bestimmten Zustand festgehalten werden kann, in den er durch eine an dem 5"> genannten Speicherkondensator liegende und einen vorgegebenen Bezugsschwellwert übersteigende Spannung gebracht worden ist, um damit den Motor stillzusetzen.

Bei Ausgestaltung der Schaltungsanordnung gemäß bo der Erfindung in der im Anspruch 5 gekennzeichneten Weise ergibt sich der Vorteil, daß mit besonders geringem schaltungstechnischen Aufwand der Motorstromkreis steuerbar ist.

Bei Ausgestaltung der Schaltungsanordnung gemäß ό5 der Erfindung in der im Anspruch 6 gekennzeichneten Weise ergibt sich der Vorteil einer besonders einfachen Möglichkeit der Entkopplung des Transistors von dem zweiten Operationsverstärker.

Bei Ausgestaltung der Schaltungsanordnung gemäß der Erfindung in der im Anspruch 7 gekennzeichneten Weise ergibt sich der Vorteil einer besonders einfachen Möglichkeit der Festlegung des jeweils möglichen Motorstroms.

Zweckmäßigerweise ist der genannte Verstärker ein invertierender Verstärker, dessen Ausgang über ein Schalterelement mit dem nichtinvertierenden Eingang des zweiten Operationsverstärkers verbunden ist Hierdurch ergibt sich der Vorteil, daß allein durch Schließen des betreffenden Schalterelements 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 Ausführungsbeispie! näher erläutert

Die in der Zeichnung dargestellte Schaltungsanordnung umfaßt ein Speisespannungs- oder Netzgerät NG, das im vorliegenden Fall mit eine- Wechselspannung U~ gespeist wird und das über zwei Leitungen L\,L2 Ausgangsspannungen abgibt, die im vorliegenden Fall Plusspannungen sein mögen. Eine Leitung L 3 möge eine Nulleitung sein, die auf Masse- bzw. Erdpotential liegt. Die Leitung L 2 mag in bezug auf die Leitung L 3 eine Plusspannung von 12 V abgeben. Die Leitung Ll mag eine demgegenüber höhere Plusspannung führen.

Zwischen den Leitungen L 2 und L 3 liegt die Reihenschaltung eines Widerstandes R1 und eines Trimmpotentiometers Pi. Am gemeinsamen Verbindungspunkt des Widerstands R 1 und des Trimmpotentiometers Pi ist ein als erster Vergleicher zu betrachtender Operationsverstärker OPl mit seinem invertierenden Eingang (—) angeschlossen. Mit seinem nichtinvertierenden Eingang (+) ist der Operationsverstärker OPi über einen Widerstand R2 und einen als Meßwiderstand dienenden Widerstand Rm an der Leitung L 3 angeschlossen. Dieser Meßwiaerstand 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-Fmitter-Strecke dieses Transistors T als Schaltstrecke ausgenutzt. Der Transistor Γ ist mit seinem Emitter mit dem Motor M verbunden. Mit seinem Kollektor ist der Transistor T mit der Leitung L 1 verbunden.

Der Ausgang des Operationsverstärkers OP1 ist über die Reihenschaltung eines Widerstands R 3, einer Diode Dl und eines Speicherkondensators Ci mit d°r Leitung L 3 verbunden. Der Widerstand R 3 dient, wie weite: unten noch ersichtlich werden wird, als Ladewiderstand für den Speicherkondensator Ci. Die Diode D 1 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 D1 und der einen Belegung des Kondensators Ci ist über einen Widerstand R 4 der nichtin vertierende Eingang ( + ) eines als zweiter Vergleicher dienenden Operationsverstärkers OP2 angeschlossen. Dieser Operationsverstärker OP2 ist mit seinem invertierenden Eingang ( —) am gemeinsamen Verbindungspunkt zweier Widerstände /?5, /?6 angeschlossen, die zwischen den Leitungen L 2 und L 3

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 RS und der Reihenschaltung eines Widerstands R 9 und einer Diode D 2. Die Diode D 2 ist dabei für vom Ausgang des Operationsverstärkers OP2 mit positiver Polarität abgegebene Signale in Durchlaßrichtung gepolt. Der Widerstand RS und der zuvor erwähnte Widerstand R 4 stellen für den Speicherkondensator Ci Entladewiderstände dar. ι -,

Mit dem Ausgang des Operationsverstärkers OP2 ist ferner ein weiterer Operationsverstärker OP3 mit seinem invertierenden Eingang ( —) verbunden, und zwar über einen Widerstand RM. Der invertierende Eingang (—) des Operationsverstärkers OP3 ist über >» einen Widerstand R 10 an der Leitung L 2 angeschlossen. Mit seinem nichtinvertierenden Eingang (+) ist der Operationsverstärker OPZ über einen Widerstand Rl an den gemeinsamen Verbindungspunkt der bereits erwähnten Widerstände R 5 und Λ 6 angeschlossen, y, Außerdem ist der Operationsverstärker OP3 mit seinem nichtinvertierenden Eingang ( + ) über einen Speicherkondensator C2 an der Leitung L 3 angeschlossen. Dem Speicherkondensator C2 liegt die Reihenschaltung eines Widerstands R12 und eines jo Schalterelements 5 1 parallel. Ferner ist der nichtinvertierende Eingang ( + ) des Operationsverstärkers OP3 mit der Kathode einer Diode £>3 verbunden, die mit ihrer Anode am nichtinvertierenden Eingang ( + ) des bereits erwähnten Operationsverstärkers OP2 ange- r. schlossen ist.

Der Operationsverstärker OPi ist mit seinem Ausgang über ein Potentiometer P2 an der Leitung L 3 angeschlossen. Der Schleifer des Potentiometers P2 ist mit der Basis des bereits erwähnten Transistors T μ 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 -45 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. Schweüwertspannung in Beziehung und gibt ausgangsseitig eine der Differenz zwischen den beiden eingangsseitig zugeführten Spannungen entsprechende Ausgangsspannung ab. Mit dieser Ausgangsspannung wird der Speicherkondensator C1 über den Widerstand R 3 und die Diode D1 aufgeladen. Die Ladezeitkonstan- w> te, die im wesentlichen durch den Widerstandswert des Widerstands R 3 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 RA und RS 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 OPI 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 /V/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 R 9 und die Diode D 2 umfaßt. Aufgrund des Vorhandenseins dieser Mitkoppelungsschaltung wird der Operationsverstärker OP2 auf seine einmal erfolgte entsprechende Ansteuerung durch die am Speicherkondensator Cl 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 Cl, und am nichtinvertierenden Eingang (+) des Operationsverstärkers OP 2 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 Sl erreicht werden. In diesem Fall wird nämlich die am nichtinvertierenden Eingang ( + ) des Operationsverstärkers OP 2 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 Cl vorzugsweise so bemessen sein werden, daß die Entiadezeitkonstante viel größer ist als die Ladezeitkonstante. Dadurch gelingt es auf besonders einziehe 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 P1 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 P 2 ist andererseits die maximal mögliche Drehzahl des Motors M festlegbar. Dies geschieht durch eine entsprechende Steuerung des Transistors T.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (8)

Patentansprüche:

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 und die einen Speicherkreis mit einem Speicherelement enthält, welches mit einer ersten Zeitkonstante aufladbar und mit einer demgegenüber größeren zweiten Zeitkonstante wieder entladbar ist, und mit einer mit dem Speicherelement verbundenen Auswerteeinrichtung, die erst bei einen vorgegebenen Auslöseschwellwert überschreitender Spannung an dem genannten Speicherelement ein den Motor stillsetzendes Ausgangssignal abgibt, dadurch ^kennzeichnet,

daß das Speicherelement (C 1) des Speicherkreises (Cl, R3, R4, RS) im Ausgangskjeis eines ersten Operationsverstärkers (OP1) liegt, der das Speicherelement (C 1) lediglich während der Ermittlung eines einen einstellbaren Schwellwert übersteigenden Motor-Überlastungsstrom auflädt, und daß die Auswerteeinriciaung einen zweiten Operationsverstärker (OP 2) enthält, der mit einem Eingang (+) mit dem Speicherelement (Cl) verbunden ist und der an einem weiteren Eingang (—) eine Schwellwertspannung zugeführt erhält, bei JO deren Überschreiten durch die dem ersten Eingang dieses zweiten Operationsverstärkers (OP 2) zugeführte Spannung das di.n Motor (M) stillsetzende Ausgangssignal abgegeben wirß-

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch J5 gekennzeichnet, daß der jeweilige Motorstrom anhand einer Meßspannung bestimmbar ist, die an einem in Reihe zu dem Motor (M) liegenden Meßwiderstand (Rm)abnehmbar ist,

daß mit dem Meßwiderstand (Rm) und einer w Bezugsspannungsquelle (R I₁ Pi) der erste Operationsverstärker (OP) 1) verbunden ist, der ausgangsseitig über einen Widerstand (R 3) mit einem Speicherkondensator (C 1) verbunden ist,
daß der zweite Operationsverstärker (OP2) mit einem Eingang über einen Widerstand (R 4) mit dem Speicherkondensator (Ci) und mit einem weiteren Eingang an einer gesonderten Bezugsspannungsquelle (R 5, R 6) angeschlossen ist,
und daß der zweite Operationsverstärker (OP2) ausgangsseitig mit einem im Motorstromkreis liegenden Schaltelement (T) verbunden ist.

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Ladekreis des Speicherk.ondensators (C 1) eine lediglich für einen Ladestrom in Durchlaßrichtung gepolte Diode (D 1) liegt.

4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Operationsverstärker (OPl) eine Mitkopplungsschaltung (R 9,

D 2) aufweist. M)

5. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, 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 Operationsverstärkers (OP2) abgebbare Ausgangssignale steuerbar ist.

6. Schaltungsanordnung nach Anspruch 5, dadurch

gekennzeichnet, daß die Basis des Transistors (T) mit dem Ausgang des zweiten Operationsverstärkers (OP2) über einen Verstärker (OP3) verbunden ist.

7. Schaltungsanordnung nach Anspruch 6_r dadurch gekennzeichnet, daß die Basis des Transistors (T) mit dem Abgriff eines Potentiometers (P 2) verbunden ist, an welchem die Ausgangsspannung des Verstärkers (OP3) auftritt.

8. Schaltungsanordnung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet.-daß der Verstärker (OPZ) ein invertierender Verstärker ist, dessen Ausgang über ein Schaltelement (SX) mit dem nichtinvertierenden Eingang (+) des zweiten Operationsverstärkers (OP 2) verbunden ist.