DE29912551U1

DE29912551U1 - Leistungsregler für elektrische Verbraucher

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Publication number: DE29912551U1
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Priority date: 1999-07-17
Filing date: 1999-07-17
Publication date: 1999-10-07
Anticipated expiration: 2009-07-18

Description

J 78 G 2

Keil&Schaafhausen

PATENTANWÄLTE

Leistungsregler für elektrische Verbraucher

Die Erfindung betrifft einen Leistungsregler für elektrische Verbraucher, insbesondere Geschwindigkeitsregler für Elektromotoren, wie sie beispielsweise bei Spielzeug-Autorennbahnen eingesetzt werden.

Leistungsregler für elektrische Geräte werden immer dann benötigt, wenn ein Benutzer oder auch eine automatische Steuerung die Leistung eines elektrischen Gerätes während des Gebrauchs beeinflussen möchte. Häufig soll die Geschwindigkeit von mit Gleichspannung betriebenen Elektromotoren geregelt werden, wie beispielsweise die Motoren in Rennwagen von Spielzeug-Autorennbahnen.

Derartige, in herkömmlicher Weise aufgebaute Geschwindigkeitsregler für Autorennbahnen haben als Regelelement zur Motoransteuerung einen gewickelten Widerstandsdraht, über den ein am Regelknopf (Drückerhebel) befestigter Kontakt schleift. Der Widerstandsdraht fungiert schaltungstechnisch als strombegrenzender Vorwiderstand, so dass die an den Motor angelegte Transformatorspannung durch Bewegen des Regelknopfes herauf- bzw. herabgesetzt wird. Je nach Verhalten des Elektromotors kann das Anlaufen des Motors, dessen mechanische Trägheit zu überwinden ist, nur mit einer relativ hohen Spannung erreicht werden, so dass der Regelbereich auf den Bereich nahezu vollständiger Leistungsabgabe (Vollgas) begrenzt ist. Darüber hinaus lässt der niedrige Gesamtwert des Widerstandsdrahtes,

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der in der Regel bei 50 bis 75 Ohm liegt, kein dosiertes und gefühlvolles Ansteuern des Elektromotors im gesamten Regelbereich zu. Da der Stromfluss zum Elektromotor über den Widerstandsdraht selbst erfolgt, werden die am Widerstand entstehenden Energieverluste in Form von Wärme freigesetzt. Je nach angelegter Spannung und Stromaufnahme des Elektromotors erwärmt sich der Regler im laufenden Betrieb, was zu Beeinträchtigungen des Regelverhaltens führen kann. Daher ist es nötig, die angelegte Trafospannung und den verwendeten Elektromotor aufeinander abzustimmen, um die Wärmeentwicklung so weit wie möglich zu reduzieren und ein gleichbleibendes Fahr- und Regelverhalten zu erreichen.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein gleichmäßiges Ansteuern des elektrischen Verbrauchers über den gesamten Regelbereich zu ermöglichen und eine das Regelverhalten beeinflussende Erwärmung des Reglers zu vermeiden.

Diese Aufgabe wird im wesentlichen durch einen Spannungsregler 0 gelöst, der als elektrischer Modulator zur Erzeugung von Spannungspulsen mit modulierbarer Pulsweite und konstanter Amplitude ausgebildet ist und einen Signalgenerator zur Erzeugung eines Spannungs-Referenzsignals, ein Regelelement zur Vorgabe eines Spannungs-Sollwertes, einen Komparator zum Vergleich von Referenzsignal und Sollwert sowie eine

Leistungsstufe zur Erzeugung von Spannungspulsen mit von dem Komparatorsignal abhängiger Pulsweite aufweist.

Durch das Prinzip der Pulsweitenmodulation steht dem elektrischen Verbraucher stets die volle Amplitude der Spannung zur Verfügung. Durch Betätigung des Regelelementes ändert sich nur das Impuls-Pausen-Verhältnis, d.h. die Einschaltdauer der konstant an dem Leistungsregler anliegenden Spannung. Das Ein- und Ausschalten dieser Spannung geschieht über eine durch das Pulsweitenmodulations-Signal aus dem Komparator angesteuerte

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Leistungsstufe, die permanent schaltet, so dass der Strom "portionsweise" zum Motor oder Verbraucher fließt. Im Gegensatz zu den herkömmlichen Leistungsreglern, bei denen die Spannungsamplitude verändert wurde, ermöglicht der erf indungsgemäße Leistungsregler den Betrieb zusätzlicher Verbraucher in dem angeschlossenen Gerät, da während der Spannungspulse immer die volle Amplitude zur Verfügung steht.

Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist die Frequenz des Signalgenerators konstant. Da die von der Leistungsstufe erzeugten Spannungspulse dieselbe Frequenz aufweisen, ist gewährleistet, dass die an den Verbraucher abgegebene Spannung aus Pulsen gleicher Frequenz besteht. Auf diese Weise lassen sich Unregelmäßigkeiten im Betrieb des Verbrauchers vermeiden.

Einfacherweise ist der Signalgenerator als integrierter Schaltkreis zur Erzeugung eines linearen Spannungssignals ausgebildet. Ein derartiges lineares Spannungssignal, das 0 beispielsweise ein Dreieck-, Sägezahn- oder Rampen-Signal sein kann, gewährleistet auf einfache Weise einen linearen Regelbereich.

Vorzugsweise ist das Regelelement zur Vorgabe eines Spannungspegels als Potentiometer, Widerstandsdraht mit Schleifkontakt oder dgl. regelbarer Widerstand ausgebildet. Durch Anlegen einer Spannung an den regelbaren Widerstand kann so besonders einfach ein konstanter Spannungspegel abgegriffen werden.

In Weiterbildung der Erfindung ist ein zweites Regelelement zur Begrenzung der maximalen Ausgangsleistung vorgesehen.

Dieses zweite Regelelement ist einfacherweise als Potentiometer oder dgl. regelbarer Widerstand ausgebildet und mit dem ersten Regelelement so verbunden, dass es dessen regelbaren

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Spannungsbereich begrenzt. Ein solches zweites Regelelement ist besonders dann sinnvoll, wenn die Leistung des Verbrauchers aus Sicherheitsgründen begrenzt werden muss.

Vorzugsweise ist auch der Komparator als integrierter Schaltkreis ausgebildet, der zwei logische Zustände als Ausgangssignal aufweist und an dessen einem Eingang das Referenzsignal und an dessen anderem Eingang der Sollwert anliegt. Ein solcher Komparator kann besonders einfach das Referenzsignal mit dem Sollwert vergleichen und in Abhängigkeit des Vergleichsergebnisses die Leistungsstufe ein- und ausschalten.

Indem der Strom durch eine unabhängige vom Regelelement getrennte Leistungsstufe geschaltet wird, muss der zum Motor fließende Strom nicht durch das Regelelement geführt werden. Die Ansteuerung des Verbrauchers erfolgt elektronisch mit einem leistungslosen Regler, so dass eine zur Erwärmung führende Verlustleistung in dem Leistungsregler vermieden 0 wird. Der Stromfluss wird nur durch die Transformatorleistung

der Spannungsversorgung und die Schaltleitung der Leistungsstufe begrenzt. Daher ist die Regelung über den gesamten Regelbereich linear und von der angelegten Spannung und der Stromaufnahme des Verbrauchers unabhängig. 25

Als Leistungsstufe, die auch das Schalten großer Spannungen und hoher Ströme zulässt, ist besonders eine Halbleiter-Endstufe geeignet, die kurzschlussfest ist, über einen Überspannungsschutz verfügt und bei Überlastung und Über-0 temperatur abschaltet und somit Beschädigungen an der Leistungsstufe oder den betriebenen Verbrauchern verhindert.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die Spannung für die Eingänge von Signalgenerator und Regelelement aus der anliegenden Versorgungsspannung abgeleitet. Dies ist

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durch Spannungsteiler einfach zu realisieren und hat den Vorteil, dass alle die Schaltung beeinflussenden Größen relativ zueinander festgelegt sind und die Schaltung keine Spannungsstabilisierung benötigt. Darüber hinaus kann der Anschluss einer weiteren externen Spannungsversorgung vermieden werden.

Weiterbildungen, Vorteile und Anwendungsmöglichkeiten der Erfindung ergeben sich auch aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels und der Zeichnung. Dabei bilden alle beschriebenen und/oder bildlich dargestellten Merkmale für sich oder in beliebiger Kombination den Gegenstand der Erfindung, unabhängig von ihrer Zusammenfassung in den Ansprüchen oder deren Rückbeziehung.

Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Leistungsreglers,
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Fig. 2 schematisch die Funktionsweise des Leistungsreglers und

Fig. 3 einen Schaltplan des Leistungsreglers nach Fig. 1.

Wie in der Zeichnung dargestellt, umfasst ein als Pulsweitenmodulator PWM ausgebildeter Leistungsregler einen Signalgenerator SG und ein Regelelement RE, die mit den Eingängen eines Komparators KP verbunden sind. Der Ausgang des Komparators KP ist mit einer Leistungsstufe LS verbunden, die die von außen an den Pulsweitenmodulator PWM angelegte Versorgungsspannung VS an einem elektrischen Verbraucher EV ein- und ausschaltet.

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Zur Leistungsregelung wird in dem Signalgenerator SG ein Dreieck-Signal DS generiert, dessen Signallage und -amplitude ein Arbeitsfenster definieren, das im Bereich zwischen einem Minimalwert von 0 Volt und einem Maximalwert von 100% der angelegten Versorgungsspannung VS liegt. Der von dem Regelelement RE erzeugte Spannungssollwert SW ist ein konstanter Spannungspegel, dessen Lage durch Betätigung des Reglers innerhalb des Arbeitsfensters des Dreieck-Signals variiert werden kann. Je nachdem, welches der angelegten Signale DS, SW größer ist, erzeugt der Komparator KP ein logisches Kasten-Signal KS, das nur die zwei logischen Zustände "ein" und "aus" kennt und die Leistungsstufe LS entsprechend schaltet.

Fig. 2 zeigt die Spannung V des Dreieck-Signals DS als Funktion der Zeit t. Die Amplitude des Dreieck-Signals DS definiert die Lage des Arbeitsfensters AF. Innerhalb des Arbeitsfensters AF sind beispielhaft zwei Sollwerte SWl und SW2 vorgegeben, die jeweils unterschiedlichen Einstellungen des Regelelements RE entsprechen. Der Komparator KP vergleicht 0 nun die Signalhöhe des Dreieck-Signals DS und der Sollwerte SWl bzw. SW2 in Abhängigkeit von der Zeit t und erzeugt die entsprechenden Kasten-Signale KSl und KS2. Die Operation des Komparators KP ist durch die gepunkteten Linien angedeutet.

Solange das Dreieck-Signal DS kleiner ist als der Sollwert SWl, befindet sich das Kasten-Signal KSl des Komparators KP in dem "aus"-Zustand (niedriger Wert). Sobald aber das Dreieck-Signal DS größer ist als der Sollwert SWl, schaltet der Komparator KP das Kasten-Signal KSl in einen "an"-Zustand 0 (hoher Wert). Sobald das Dreieck-Signal DS wieder unter den Wert des Sollwertes SWl fällt, schaltet das Kasten-Signal KSl wieder in seinen "aus"-Zustand zurück. Da es sich bei dem Dreieck-Signal DS um ein lineares Signal konstanter Frequenz handelt, entsteht so ein Kasten-Signal KSl mit in regelmäßigem zeitlichen Abstand auftretenden "an"-Zuständen.

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Für das dem Sollwert SW2 entsprechende Kasten-Signal KS2 gilt entsprechendes. Da der Sollwert SW2 jedoch niedriger ist als der Sollwert SWl, wird der Schaltpunkt für den "an"-Zustand des Kasten-Signals KS2 früher erreicht, was dazu führt, dass das Kasten-Signals KS2 bei gleicher Kastenfrequenz eine breite Kasten-Form, d.h. einen längeren "an"-Zustand aufweist. Da mit dem Kasten-Signal KS die Leistungsstufe LS geschaltet wird, erbringt der elektrische Verbraucher EV bei einem niedriger eingestellten Sollwert SW2 eine höhere Leistung als bei einem höher eingestellten Sollwert SWl.

Die Veränderung des Sollwertes SW mit Hilfe des Regelelementes RE bewirkt eine Veränderung der Pulsweite am Ausgang. Zur Leistungsbegrenzung ist es ferner möglich, den Regelbereich des Reglers RE innerhalb des Arbeitsfensters AF so zu beschränken, dass niedrige Spannungssollwerte SW, beispielsweise kleiner als der Sollwert SW2, nicht einstellbar sind. Dies kann durch einen optional an dem Regler RE angeordneten Regler LR zur Leistungsreduzierung erreicht werden, wie in Fig. 1 gezeigt.

Fig. 3 zeigt den Schaltplan eines Pulsweitenmodulators PWM mit dem Signalgenerator SG, dem Regelelement RE, dem Komparator KP, der Leistungsstufe LS und dem optionalen Regler LR zur Leistungsreduzierung.

Der Signalgenerator SG und der Komparator KP sind in Fig.3 als Einheit SG/KP dargestellt und können bspw. aus integrierten Schaltkreisen bestehen, deren Eingangspannungen über Spannungsteiler mit den Widerständen Rl bis R4 erzeugt werden.

Das Regelelement RE besteht aus einem zwischen den Widerständen R5 und R6 angeordneten Potentiometer Pl und ist als Spannungsteiler mit variablem Spannungsabgriff ausgebildet. Zusätzlich ist an dem Regelelement RE ein Regelelement LR zur

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Leistungsreduzierung angeordnet, das aus einem Potentiometer P2 besteht, dessen variabler Spannungsabgriff mit dem variablen Spannungsabgriff des Potentiometers Pl verbunden ist und dessen einer Eingang über zwei vor und hinter dem Potentiometer Pl angeordnete Widerstände R7 und R8 an dem Regelelement RE angreift.

In dem Komparator KP werden das Dreieck-Signal DS sowie der Spannungssollwert SW verglichen und als Ergebnis des Vergleiches ein Kasten-Signal KS erzeugt, das über einen Widerstand R9 zu der Leistungsstufe LS geführt ist, die bspw. als Mos-Fet-Transistor ausgebildet ist.

Bei dieser Schaltungsanordnung ist besonders günstig, dass alle die Schaltung beeinflussenden Größen über Spannungsteiler mit Widerständen aus der Versorgungsspannung VS abgeleitet werden und damit relativ zueinander festgelegt sind. Sinkt die Versorgungsspannung um einen gewissen Betrag ab, so sinkt entsprechend die Signallage und die Sollwertvorgabe um den gleichen Betrag ab, so dass die Schaltung auf eine Spannungsstabilisierung verzichten kann. Hinzu kommt, dass im Gegensatz zu einem Vorwiderstand oder Längsregler bei dem elektronischen Leistungsregler durch Pulsweitenmodulation keine Leistung in Wärme umgewandelt wird, so dass eine stabile Regelung möglich ist. Die gute Linearität der Regelung wird dadurch erreicht, dass dem Motor nicht ein mehr oder weniger großer Dauerstrom zugeführt wird, sondern jeweils der volle Strom an dem Endverbraucher anliegt, wobei die Leistung durch die Breite der Kasten-Signale KS gesteuert wird.

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Bezugszeichenliste:

PWM	Pulsweitenmodulator
SG	Signalgenerator
RE	erstes Regelelement
KP	Komparator
LS	Leistungsstufe
VS	Versorgungsspannung
EV	elektrischer Verbraucher
LR	zweites Regelelement
Pl, P2	Potentiometer
Rl bis R9	Widerstände
DS	Dreieck-Signal
SW	Spannungs-Sollwert
SWl	Sollwert 1
SW2	Sollwert 2
KS	Kasten-Signal
KSl	Kasten-Signal 1
KS2	Kasten-Signal 2
V	Spannung
t	Zeit
AF	Arbeitsfenster

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Claims

1. Leistungsregler für elektrische Verbraucher, insbesondere Geschwindigkeitsregler für Elektromotoren, beispielsweise für Spielzeug-Autorennbahnen, gekennzeichnet durch einen elektronischen Pulsweitenmodulator (PWM) zur Erzeugung von Spannungspulsen, der einen Signalgenerator (SG) zur Erzeugung eines Spannungs-Referenzsignals (DS), ein erstes Regelelement (RE) zur Vorgabe eines Spannungs-Sollwertes (SW), einen Komparator (KP) zum Vergleich von Referenzsignal (DS) und Sollwert (SW) sowie eine Leistungsstufe (LS) zur Erzeugung von Spannungspulsen mit von dem Komparatorsignal (KS) abhängiger Pulsweite aufweist.

2. Leistungsregler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Frequenz des Signalgenerators (SG) konstant ist.

3. Leistungsregler nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Signalgenerator (SG) als integrierter Schaltkreis zur Erzeugung eines linearen Spannungssignals, beispielsweise eines Dreieck- oder Sägezahn-Signals (DS), ausgebildet ist.

4. Leistungsregler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Regelelement (RE) zur Vorgabe eines Spannungspegels als regelbarer Widerstand, insbesondere Potentiometer (P1), ausgebildet ist.

5. Leistungsregler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein zweites Regelelement (LR) zur Begrenzung der maximalen Ausgangsleistung vorgesehen ist.

6. Leistungsregler nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Regelelement (LR) als regelbarer Widerstand, insbesondere Potentiometer (P2), ausgebildet ist und mit dem ersten Regelelement (RE) so verbunden ist, dass es dessen regelbaren Spannungsbereich begrenzt.

7. Leistungsregler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Komparator (KP) als integrierter Schaltkreis mit zwei logischen Zuständen ausgebildet ist.

8. Leistungsregler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Regelelement (RE) von der Leistungsstufe (LS) getrennt vorgesehen ist.

9. Leistungsregler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Leistungsstufe (LS) als Halbleiter-Endstufe ausgebildet ist.

10. Leistungsregler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Spannung für die Eingänge von Signalgenerator (SG), Regelelement (RE) und/oder Komparator (KP) aus der anliegenden Versorgungsspannung (VS) abgeleitet ist.