DE1616895C3 - Dynamo-Ergometer - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Dynamo-Ergometer mit einer Vorrichtung zum Antrieb eines elektrischen Generators durch eine zu untersuchende Person, einem Lastwiderstand zur Aufnahme der vom Generator abgegebenen elektrischen Leistung, und einer von einer Stromversorgungsschaltung mit Betriebsleistung versorgten elektrischen Regeleinrichtung, durch die die vom Lastwiderstand aufgenommene elektrische Leistung auf einen Wert eingerbgelt wird, bei dem die von der zu untersuchenden Person an die Antriebsvorrichtung abgegebene körperliche Leistung einen von der Gcncratordrehzahl im wesentlichen unabhängigen, einstellbaren Wert hat.

Die bekannten Dynamo-Ergometer (deutsche Patentschrift 10 54 204, schweizerische Patentschrift 4 32 045) enthalten im allgemeinen einen Gleichstromgenerator, dessen Ankerwicklung mit einem unveränderlichen Lastwiderstand verbunden ist und dessen Feldstrom durch eine elektronische Regelschaltung derart geregelt wird, daß die durch den untersuchenden Arzt voreinstellbare Leistungsabgabe der zu untersuchenden Person möglichst weitgehend unabhängig von der Antriebsdrehzahl ist.

Die den Feldstrom regelnde elektronische Einrichtung und andere Hilfsvorrichtungen, wie Anzeigelampen u. dgl., werden bei den bekannten Dynamo-Ergome-

tern aus dem Wechselstromnetz mit Betriebsleistung versorgt. Dies bringt jedoch in der Praxis erhebliche Nachteile mit sich, da Ergometer häufig zusammen mit anderen elektrischen Untersuchungsgeräten, wie Elektrokardiographen oder elektrischen Geräten zur Mes- sung des Blutdruckes, Pulses usw. verwendet werden. Diese Geräte sind sehr empfindlich gegen Netzstörungen, insbesonüere wenn sie mit der Ableitung biologischer Körperpotentiale vom Menschen arbeiten. Man muß daher den Patienten häufig erden, wobei es oft to notwendig ist, die VDE-S'chutzmaßnahmen zu umgehen, um Erdschleifen zu vermeiden. Außer der Gefahr von Störungen empfindlicher Meßgeräte durch die Netzwechselspannung besteht also noch die Gefahr von Unfällen durch die Netzwechselspannung.

Es ist zwar aus der DE-PS 8 80 871 ein Sport- und * Trainiergerät nach Art eines Dynamo-Ergometers bekannt, bei dem verschiedene Tretwiderstandsstufen durch Veränderung des Feldwicklungswiderstandes eingestellt werden können und die durch den Generator gelieferte elektrische Energie zur Instiumentenbeleuchtung und zur Speisung beliebiger anderer Glühlampen benutzt werden kann. Eine Leistungsregelung, also eine Konstanthaltung einer vom Probanden abzugebenden Soll-Leistung unabhängig von der Antriebsdrehzahl des Generators ist jedoch nicht vorgesehen, und die Speisung von Glühlampen, die der Speisung einer Fahrradbeleuchtung durch den Lichtdynamo entspricht, legt nicht nahe, daß die den Dynamo eines Fahrradergometers enthaltende Leistungsregelschaltung durch den vom Dynamo abgegebenen Strom gespeist werden kann, zumal da man aus der oben bereits erwähnten CH-PS 4 32 045 weiß, daß der vom Feldregler an die Feldwicklung gelieferte Feldstrom bei stillstehendem Generator einen Maximalwert haben soll.

Der vorliegenden Erfindung liegt also die Aufgabe zugrunde, ein Dynamo-Ergometer der eingangs genannten Art anzugeben, das keinerlei Netzanschluß benötigt, so daß Störungen von Diagnosegeräten u. dgl. vermieden werden und keine Schutzmaßnahmen hinsichtlich der Netzspannung erforderlich sind.

Diese Aufgabe wird bei einem Dynamo-Ergometer der eingangs genannten Art gemäß der Erfindung durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst

Bei dem Dynamo-Ergometer gemäß der Erfindung können keine Netzstöningen von Diagnosegeräten und keine Unfälle durch die Netzspannung auftreten, da es völlig netzunabhängig arbeitet. Da wegen des Fehlens eines Netzanschlusses keine diesbezüglichen elektrischen Schutzmaßnahmen erforderlich sind, vereinfacht und verhilligt sich außerdem der Aufbau des Ergometers. Da kein Netzanschluß benötigt wird, is'. das Dynamo-Ergometer gemäß der Erfindung auch hin- SS sichtlich des Aufstellungs- und Einsatzortes nicht an das Netz gebunden.

Die bekannten Dynamo-Ergometer sind nicht unmittelbar für eine Leistungsversorgung durch den eigenen Generator geeignet, da ihr Stromverbrauch ein Maximum hat, wenn die Antriebsdrehzahl bei großer eingestellter Soll-Leistung einen sehr kleinen Wert hat. Bei einem Dynamo-Ergometer gemäß der Erfindung wird daher vorzugsweise ein Generator verwendet, dessen Feld ganz oder überwiegend durch einen 6j Permanentmagneten erzeugt wird. Vorzugsweise wird ein Drehstromgenerator verwendet, da bei diesem die mechanischen Reibungsverlust besonders gering sind.

Andere Weiterbildungen und Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet. Die Erfindung wird anhand der Zeichnung näher erläutert Es zeigt

Fig. I ein Schaltbild eines Teiles eines Dynamo-Ergometers gemäß einem besonders einfachen und zweckmäßigen Ausführungsbeispiel der Erfindung und

Fig.2 ein Blockschaltbild eines zweiten Ausführungsbeispiels der Erfindung.

In Fig. I ist nur ein Teil des Generators und der Regelschaltung dargestellt die übrigen Teile des Ergometers können in bekannter Weise ausgebildet sein, soweit nicht im folgenden besondere Ausführungen gemacht werden.

Der Generator 10 ist ein Drehstromgenerator mit Permanentmagnetanker und drei Statorwicklungen, von denen nur die Wicklungen 12 und 12' dargestellt sind.

An die Wicklung 12 ist eine Gle/.jirichterschaltung, z. B. eine Vollweggleichrichterbrücke 14 -ngeschiossen, deren Gleichspannungsausgangsklemmen mit 16 bezeichnet sind. An die Klemmen 16 ist eine Reihenschaltung aus einem hochbelastbaren Widerstand 18 und der Emitter-Kollektor-Strecke eines Niederfrequenz-Hochleistungstransistors 20 angeschlossen. Der Widerstand 18 und der Transistor 20 dienen als veränderliche Belastung zur Aufnahme und Vernichtung der von der Generatorwicklung 12 abgegebenen elektrischen Leistung. Die in der Belastung 18, 20 verbrauchte (d. h. in Wärme umgewandelt) elektrische Leistung ist das Produkt aus der an den Klemmen 16 liegenden Spannung und dem die Belastung 18,20 durchfließenden Strom. Ein dieser Leistung entsprechendes elektrisches Signal kann z. B. durch eine Multiplikationsschaltung 22 erzeugt werden, die einerseits mit den Klemmen 16 und andererseits mit den Enden des Festwiderstandes 18 verbunden ist. An den Klemmen 16 liegt dieselbe Spannung U\ wie an der Belastung 18, 20, während an dem hochbelastbaren Festwiderstand 18 eine Spannung Lh abgenommen werden kann, die dem die Belastung $8, 20 durchfließenden Strom proportional ist. Die Multiplikationsschaltung 22 liefert auf einer leitung 24 dementsprechend ein Signal, das dem Produkt Lh · Lh und damit der in der Belastung in Wärme verwandelten elektrischen Leistung N proportional ist. Die Leitung 24 ist mit einem Eingang eines Differenzverstärkers 26 verbunden, dessen anderer Eingangsleitung 28 eine Spannung zugeführt wird, die dem Leistungssollwert entspricht. Diese Spannung wird von einer veränderlichen Spannungsquelle 30 erzeugt, die z. B. aus einer Batterie oder, wie dargestellt, eine an die Klemmen 16 angeschlossene Reihenschaltung aus einem Widerstand 32 und einer Zenerdiode 34, der wiederum ein PotentiometerwidcMand 36 parallel geschaltet ist, enthalten kann. Am Schleifer 38 des Potentiometerwiderstandes 36 läßt sich eine einstellbare Spannung abgreifen, die die körperliche Leistung bestimmt, die die Versuchsperson aii das Ergometer abgeben soll. Von der Sollwertspannung am Schleifer 38 kann in einer aus zwei Widerständen bestehenden SummierschalUng 40 eine Kompensationsspannung abgezogen werden, die der Drehzahl des Generators und damit der mechanischen Reibung im Generator wenigstens annähernd proportional ist. Diese Kompensationsspannung, die an der Klemme 42 zugeführt wird, kann in bekannter Weise mittels eines Tachometergenerators erzeugt werden.

Der Ausgang 44 des Differenzverstärkers 26 ist mit

der Basis 48 des Transistors 20 so verbunden, daß der Widerstand der Emitter-Kollektor-Strecke des Transistors so lange verändert wird, bis das der Istleistung ensprechende Signal auf der Leitung 24 bis auf die Regelabweichung mit dem der Soll-Leistung auf der Leitung 28 entsprechenden Signal übereinstimmt.

Die den anderen beiden Statorwicklungen zugeordneten Schaltungsanordnungen sind unter sich gleich und so ist daher nur die Statorwicklung 12' und die ihr zugeordnete Schaltungsanordnung dargestellt. An die Statorwicklung 12' ist ebenfalls eine Gleichrichterschaltung 14' angeschlossen, deren Gleichspannungsausgangsklemmen 16' mit einer Belastung verbunden sind, die wieder aus einem hochbelastbaren Festwidersland 18' und einem Transistor 20' besteht, dessen Emitter-Kollektor-Strecke mit dem Widerstand 18' in Reihe geschaltet ist. Die Basis 48' des Transistors 20' ist mit ripm Ausgang 44 dp«; Rpgplvprifärkpr* 2fi gpknnpplt r|pr auch den Transistor 20 steuert. Zur Entkopplung können den Basisleitungen Widerstände 50,50' in Reihe geschaltet werden. Die Leitung 52 führt zur Basis eines nicht dargestellten dritten Transistors, der nicht dargestellten dritten Statorwicklung zugewordneten Schaltung, die wie die der Statorwicklung 12' zugeordnete Schaltung ausgebildet ist.

Die Widerstände 18, 18' und die Transistoren 20, 20' sind so bemessen, daß sie die erforderliche Verlustleistung aufnehmen können. Dies stellt in der Praxis keine Schwierigkeiten dar. da es sehr preiswerte Niederfrequenz-Leistungstransistoren mit Kollektor-Verlustleistungen von weit über 100 Watt gibt und die maximale körperliche Leistung, die ein Mensch für eine nennenswerte Zeit abgeben kann. 400 Watt nur in Ausnahmefällen übersteigt.

Bei dem in F i g. 2 dargestellten Ausführungsbeispiel wird wieder ein Drehstromgenerator JOa verwendet, an dessen Ausgangsleitungen eine Gleichrichterschaltung 14a angeschlossen ist, die jedoch im Gegensatz zu den Gleichrichterschaltungen des in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispieles nur eine geringe Ausgangsleistung zu liefern braucht. An den Ausgang des Drensirom-Generaiors lüa ist ferner eine Thyristor-Schaltung 15 angeschlossen, die einen Lastwiderstand 18a speist. Die Thyristor-Schaltung 15 kann in bekannter Weise ausgebildet sein und steuert die an den Verbraucherwiderstand 18a abgegebene elektrische Leistung entsprechend einer Steuerspannung, die ihr über eine Leitung 24a zugeführt wird. Diese Steuerspan nung wird durch eine Schaltungsanordnung 30a erzeug die wie die Schaltung 30 in F i g. I ausgebildet sein kanr Auch hier kann die Steuerspannung wieder in eine Summierschaltung 40a mit einer Kompensationsspan nung von einer Klemme 42a vereinigt werden. Dii Steuerspannung auf der Leitung 24a steuert ii bekannter Weise den Stromflußwinkel der Thyristoren.

Die Anordnung zur Erzeugung der an der Klemme 4; liegenden Kompensationsspannung kann einen mit de Antriebsvorrichtung 17 des Ergometers gekuppeltei Tachometergenerator 19 enthalten, der einerseits eil Drehzahlanzeigeinstrument 21 und andererseits eim Gleichrichterschallung 23 speist, deren Ausgang übe

,, einen Einstelluiderstand 25 mit der Klemme 42, verbunden ist. Solche Schaltungen sind im Prinzi| bekannt (schweizerische Patentschrift 4 32 045). Di« Kpcr*hripH<>n«>ri A^ljsführün^cTC!!)e!S^rl!e!e können selbstver ständlich in der verschiedensten Weise abgewandel werden, ohne den Rahmen der Erfindung zu überschrei (en. Die drei Statorwicklungen des Generators Ii können mit einer Dreiphasen-Gleichrichterschaltunj verbunden sein, an deren Gleichstromauvgangsklem men dann nur eine Schaltung angeschlossen ist. wie si« mit den Klemmen 16 verbunden ist Selbstverständlicl müssen dann der Widerstand 18 und der Transistor 2( eine entsprechende Belastbarkeit haben.

Die Klemmen 16, 16' können auch beispielsweise ar die Ausgangsklemmen eines selbsterregten Gleich Stromgenerators angeschlossen sein.

Wenn besonders hohe Anforderungen an di« Genauigkeit gestellt werden, können die mit der verschiedenen Stalorwicklungen verbundenen Schal tungen jeweils eine Multiplikationsschaltung und einer

_1S Regelverstärker enthalten, so daß dann nur di« Leistungsvorwahlschaltung 30 und die Kompensation schaltung 40, 42 usw. allen drei Phasen gemeinsam ist Schließlich kann man jeder Phase zwar eine eigen« Multiplikationsschaltung zuordnen, die Ausgangssignal«

.„ dieser Multiplikationsschaltungen dann aber übei Summierwiderstände dem einen Eingang eines Regel Verstärkers zufuhren, der die veränderlichen Giieuei der jeweiligen Regelschaltungen steuert.

Statt Transistoren und Thyristoren können al· veränderliche Glieder im Belastungskreis auch Trans

duktoren verwendet werden.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (13)

Patentansprüche:

1. Dynamo-Ergometer mit einer Vorrichtung zum Antrieb eines elektrischen Generators durch eine zu untersuchende Person, einem Lastwiderstand zur Aufnahme der vom Generator abgegebenen elektrischen Leistung, und einer von einer Stromversorgungsschaltung mit Betriebsleistung versorgten elektrischen Regeleinrichtung, durch die die vom Lastwiderstand aufgenommene elektrische Leistung auf einen Wert eingeregelt wird, bei dem die von der zu untersuchenden Person an die Antriebsvorrichtung abgegebene körperliche Leistung einen von der Generatordrehzahl im wesentlichen unabhängigen, einstellbaren Wert hat, dadurch gekennzeichnet, daß die Stromversorgungsschaltung der elektrischen Regeleinrichtung vom Ergometer-Generator (iO) gespeist ist.

Z Ergometer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Wechselstromgenerator, insbesondere ein Drehstrom-Generator (10,10a) verwendet wird, an dessen Ausgangsklemmen eine Gleichrichterschaltung (14,14', 14a), die Gleichspannungsausgleichsklemmen (16,16') autweist, angeschlossen ist

3. Ergometer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Gleichspannungsgenerator mit Gleichspannungs-Ausgangsklemmen verwendet wird.

4. Ergometer nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet daß an die Gleichspannungsausgangsklemmen die aus de< Reihenschaltung eines Widerstandes (18) und eines steuerbaren Bauelementes (20) bestehende Belastung und die das steuerbare Bauelement steuernde Regelschaltung (22,26,30) angeschlossen sind.

5. Ergometer nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das steuerbare Bauelement (20) ein Leistungstransistor ist und daß die Regelschaltung eine Anordnung (22) zur Erzeugung eines Signals, das der von der Belastung (18, 20) aufgenommenen elektrischen Leistung proportional ist, eine Anordnung (30, 40, 42) zur Erzeugung eines Signals, das dem vorgegebenen Wert der Leistung proportional ist, und einen Regelverstärker (26) enthält, der ein von der Abweichung des dem Leistungs-Ist-Wert entsprechenden ersten Signals von dem dem Leistungs-Soll-Wert entsprechenden zweiten Signals abhängiges Fehlersignal liefert, das das _so steuerbare Bauelement (20) steuert.

6. Ergometer nach Anspruch 5 mit einem drei Drehstrom-Ausgangsklemmen aufweisenden Drehstromgenerator, dadurch gekennzeichnet, daß jede Generator-Ausgangsklemme mit einer eigenen Gleichrichterschaltung (14, 14') verbunden ist und daß an die Gleichspannungsausgangsklemmen (16, 16') der Gleichrichterschaltungen jeweils eine eigene Belastung (18, 20, 18', 20') angeschlossen ist.

7. Ergometer nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß eine einzige Regelschaltung (22,26,30) die steuerbaren Bauelemente (20, 20') aller drei Belastungen steuert.

8. Ergometer nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß an jede Ausgangsklemme des eine mehrphasige Wechselspannung liefernden Generators eine eigene Belastung und eine eigene Regelschaltung angeschlossen sind.

9. Ergometer nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Anordnung zum Erzeugen des Signals, das der von der Belastung aufgenommenen Leistung proportional ist, eine Multiplikationsschaltung (22) enthält, der Signale zugeführt werden, die der an der Belastung liegenden Spannung bzw. dem durch die Belastung fließenden Strom proportional sind.

10. Ergometer nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Anordnung zum Erzeugen des Leistungs-Sollwertes entsprechenden Signals eine Schaltungsanordnung (30) zum Erzeugen einer einstellbaren Spannung, eine Schaltungsanordnung (19,23,43) zum Erzeugen eines der Generatordrehzahl proportionalen Signals, und eine Summierschaltung, in der das der Drehzahl proportionale Signal von der konstanten Spannung abgezogen wird, enthält

11. Ergometer nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Belastung (ISa) an die Wechseispannungsausgangsklemmen des Generators (10a) über eine Steuerschaltung (15) angeschlossen ist und daß die Regelschaltung (30a), die ein den Stromfluß von den Wechselspannungsausgangsklemmen zur Belastung mittels der Steuerschaltung (15) regelndes Signal liefert, über eine Gleichrichterschaltung (14a) an die Wechselspannungsklemme angeschlossen ist

IZ Ergometer nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerschaltung (15) mindestens einen Thyristor enthält, dessen Stromflußwinkel durch das von der Regelschaltung (30a) gelieferte Signal gesteuert wird.

13. Ergometer nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß an die Wechselspan nungsausgangsklemmen des Generators mindestens ein Transduktor (Magnetverstärker) angeschlossen ist, der den Stromfluß vom Generator zur Belastung entsprechend einem von der Regelschj'tung gelieferten Signal steuert.