DE19806805A1 - Startvorrichtung für einen Elektromotor - Google Patents
Startvorrichtung für einen ElektromotorInfo
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Description
Die Erfindung betrifft allgemein Startvorrichtungen von
Elektromotoren. Insbesondere betrifft die Erfindung Startvor
richtungen von Elektromotoren, die eine Phase einer Spannung
steuern, die an den Elektromotoren von einer Übergabestrom
versorgung angelegt wird, um die Elektromotoren gleichmäßig
anlaufen zu lassen, und die als Startvorrichtung eines Kommu
tatormotors für ein Elektrowerkzeug geeignet ist.
Für ein Elektrowerkzeug kommt allgemein ein universeller
Kommutatormotor zum Einsatz. Beim Starten durchfließt ein
elektrischer Einschaltstromstoß diesen Kommutatormotor.
Ein besonders großer elektrischer Einschaltstromstoß
fließt zu einem Kommutatormotor mit einem elektrischen Lei
stungsverbrauch über 1 kW. Problematisch ist, daß wegen die
ses elektrischen Einschaltstromstoßes ein hoher Spannungsab
fall in Verbrauchern auftritt, die mit dem gleichen Stromver
sorgungssystem wie das Elektrowerkzeug verbunden sind.
Um den Einfluß dieses elektrischen Einschaltstromstoßes
zu verhindern, wird eine bekannte Schaltung gemäß Fig. 7 vor
geschlagen.
Beim Einschalten eines Schalters 40 wird durch diese
Schaltung zu einem Verbraucher 42 von einer Übergabestromver
sorgung 41 geführter Übergabestrom über einen Widerstand R31
zu einem Weg 43 umgeleitet, und der Umleitungsstrom wird
durch eine Diodenbrücke DB2 gleichgerichtet. Mit dem gleich
gerichteten Strom wird ein Elektrolytkondensator C11 geladen,
bei Abschluß der elektrischen Ladung dieses Elektrolytkonden
sators C11 fließt der elektrische Umleitungsstrom nicht mehr,
und der zum Verbraucher 42 von der Übergabestromversorgung 41
geführte elektrische Übergabestrom lädt einen Kondensator C10
über den Widerstand R31 und einen Widerstand R32.
Erreicht eine Spannung über dem Kondensator C10 eine
Triggerspannung einer Triggerdiode Q6, schaltet sich die
Triggerdiode Q6 ein, ein Triac Q5 schaltet sich ein, und eine
Spannung wird am Verbraucher 42 angelegt.
Danach schwingt sich die Triggerphase der Triggerdiode
Q6 auf einen Wert ein, der von einer elektrischen Ladezeit
konstante der Widerstände R31, R32 und des Kondensators C10
abhängt, und der Verbraucher 42 wird stabil angesteuert.
Um beim Kommutatormotor in der Verwendung für das Elek
trowerkzeug mit großem elektrischem Stromverbrauch das vorge
nannte Problem zu lösen, ist ein sogenannter sanfter Start
erforderlich, wobei beim sanften Start eine gleichmäßige Än
derung aus einem Startzustand in einen stabilen Zustand über
mehrere Sekunden erfolgt. In der Verwendung wird das Elektro
werkzeug häufig gestartet und gestoppt, und eine sanfte
Startmöglichkeit ist auch in diesem Fall notwendig.
Unter der Annahme, daß die zuvor erwähnte Schaltung als
Startvorrichtung des Kommutatormotors im Elektrowerkzeug zum
Einsatz kommt, gilt folgendes: Da die Zeit, in der der elek
trische Umleitungsstrom umgeleitet wird, von der elektrischen
Ladezeit des Elektrolytkondensators C11 bestimmt ist, muß der
Elektrolytkondensators C11 mit einer elektrostatischen Kapa
zität(z. B. 33 µF) gewählt sein, die mehrere Sekunden zum Ab
schluß der elektrischen Ladung benötigt.
Schließt aber der Elektrolytkondensator C11 die elektri
sche Entladung nicht ab, kann der elektrische Ladestrom des
Kondensators C10 nicht umgeleitet werden. Um also sanft zu
starten, wenn der Schalter 40 nach Ausschalten wieder einge
schaltet wird, muß der Elektrolytkondensator C11 elektrisch
entladen sein, bis der Schalter 40 nach Ausschalten erneut
eingeschaltet wird.
Zum Verkürzen der elektrischen Entladezeit muß ein Wi
derstandswert des Widerstands R33 klein sein (z. B. 200 kΩ).
Da aber bei kleinem Widerstandswert des Widerstands R33 der
elektrische Umleitungsstrom im stabilen Zustand fließt, sinkt
die am Kommutatormotor angelegte Spannung, und die Drehzahl
des Kommutatormotors verringert sich.
Wird anders ausgedrückt der sanfte Start auch dann rea
lisiert, wenn der Schalter kurz nacheinander aus- und einge
schaltet wird, besteht ein Problem darin, daß der Kommutator
motor nicht die Bemessungsdrehzahl erzeugen kann.
Vom Anmelder wurde eine Startvorrichtung für einen Elek
tromotor gemäß Fig. 6 vorgeschlagen.
Durch eine in Fig. 6 gezeigte Startvorrichtung 30 für
einen Elektromotor wird elektrischer Strom, der einen Wider
stand R16 durchlaufen hat, zu einem Umleitungsweg 35 umgelei
tet, der elektrische Umleitungsstrom wird durch eine Dioden
brücke DB1 gleichgerichtet, und der gleichgerichtete elektri
sche Strom beginnt, einen Elektrolytkondensator C5 über eine
Diode D5 und einen Widerstand R18 zu laden. Mit fortschrei
tender elektrischer Ladung des Elektrolytkondensators C5 ver
kürzt sich die elektrische Ladezeit eines Kondensators C7.
Dadurch vergrößert sich der Zündwinkel einer Triggerdiode Q4
allmählich, und die Drehzahl eines Elektromotors 12 kann
gleichmäßig gesteigert werden.
Da eine Spannung über einem durch den elektrischen Um
leitungsstrom geladenen Elektrolytkondensator C6 höher als
eine Emitterspannung eines Transistors Q3 ist, schaltet sich
bei Ansteuerung des Elektromotors 12 der Transistor Q3 aus,
und der elektrische Umleitungsstrom fließt nicht mehr. Damit
kann der Elektromotor 12 mit der Bemessungsdrehzahl angesteu
ert werden.
Andererseits wird beim Ausschalten eines Schalters 14
der Elektrolytkondensator C6 über einen Widerstand R20 elek
trisch entladen. Wegen des Spannungsabfalls des Kondensators
C6 schaltet sich der Transistor Q3 ein, und der Elektrolyt
kondensator C5 wird schnell entladen.
Auch wenn der Schalter 14 kurz nacheinander ein- und
ausgeschaltet wird, kann ein sanfter Start erfolgen.
In der Startvorrichtung 30 des Elektromotors gemäß der
Fig. 6 ist der Zündwinkel der Triggerdiode Q4 durch eine
Zeitkonstante einer aus dem Widerstand R16, einem Widerstand
R17 und dem Kondensator C7 bestehenden Zeitkonstantenschal
tung sowie durch die Triggerspannung der Triggerdiode Q4 be
stimmt.
Anders gesagt ändert sich der Zündwinkel der Trigger
diode Q4 stark durch Streuung bzw. Schwankung der Trigger
spannung der Triggerdiode Q4 sowie der Widerstände R16, R17
und des Kondensators C7.
Für die Genauigkeitsgrenze eines Teils, das gewöhnlich
erhalten werden kann, gilt ±1% für Widerstände und ±5% für
Kondensatoren (Schichtkondensator). Für die Triggerspannung
der Triggerdiode beträgt die Schwankung ±12,5%.
Somit kann wegen der Schwankung der Teile die sanfte
Startzeit mit der Startvorrichtung 30 des Elektromotors das
Zweifache und mehr betragen.
Das heißt, es ist problematisch, daß der Benutzer eine
Diskrepanz beim Start des Elektrowerkzeugs infolge der Genau
igkeit einer Schaltungskonstante spürt.
Zudem besteht ein Problem darin, daß sich die Anstiegs
zeit der Drehzahl des Elektromotors 12 nicht frei einstellen
läßt. Beim sanften Start ist es z. B. nicht möglich, den
Elektromotor 12 sehr langsam auf die Bemessungsdrehzahl zu
starten oder ihn anfangs langsam anlaufen zu lassen und in
kurzer Zeit auf die Bemessungsdrehzahl hochzufahren.
Wenngleich eine integrierte Schaltung bzw. IC für die
Phasensteuerung verwendet werden kann, ist die IC zur Phasen
steuerung teuer, was die Kosten der Startvorrichtung erhöht.
Daher besteht eine Aufgabe der Erfindung darin, eine
Startvorrichtung für einen Elektromotor bereitzustellen, die
ein stabiles Gebrauchsgefühl beim Start auch bei schwankender
Genauigkeit der Teile vermitteln und die Anstiegszeit der
Drehzahl des Elektromotors ohne Verwendung einer IC zur Pha
sensteuerung frei einstellen kann.
Die Erfindung stellt eine Startvorrichtung für einen
Elektromotor bereit, die diese Aufgabe löst. Die Startvor
richtung des Elektromotors erhöht die Drehzahl des Elektromo
tors durch Steuern einer Phase einer Spannung, die am Elek
tromotor von einer Übergabestromversorgung beim Start ange
legt wird, wobei die Startvorrichtung des Elektromotors auf
weist: eine Ausgangsschaltung (20, 22, 24), die einen von der
Übergabestromversorgung zugeführten elektrischen Übergabe
strom umleitet, ein Impulssignal auf der Grundlage dieses
elektrischen Umleitungsstroms erzeugt, ein Signal erzeugt,
dessen Ausgangsspannung sich allmählich von einer vorbestimm
ten Spannung auf eine niedrigere Spannung als eine maximale
Spannung des Impulssignals verringert, eine Spannung dieses
Signals mit einer Spannung des Impulssignals vergleicht und
ein einem Vergleichsergebnis entsprechendes Ausgangssignal
ausgibt; eine Triggerschaltung (26), die einen Triggerstrom
auf der Grundlage einer Ausgangstaktung des von der Ausgangs
schaltung ausgegebenen Ausgangssignals ausgibt; und ein Halb
leitersteuerelement (Q1), in das der von der Triggerschaltung
ausgegebene elektrische Triggerstrom eingegeben wird, damit
es leitend wird, und das die Phase der am Elektromotor von
der Übergabestromversorgung angelegten Spannung steuert.
In einer bevorzugten Konfiguration der erfindungsgemäßen
Startvorrichtung des Elektromotors weist die Ausgangsschal
tung auf: eine Stromversorgungsschaltung (20), die den elek
trischen Übergabestrom umleitet und den elektrischen Umlei
tungsstrom gleichrichtet; eine erste Impulssignal-Ausgangs
schaltung (22), die einen Spannungswert des durch die Strom
versorgungsschaltung gleichgerichteten elektrischen Stroms
mit einem vorbestimmten Referenzspannungswert vergleicht und
ein einem Vergleichsergebnis entsprechendes erstes Impuls
signal ausgibt; und eine zweite Impulssignal-Ausgangsschal
tung (24) mit einer Zeitkonstantenschaltung (25), die ein Si
gnal erzeugt, dessen Ausgangsspannung sich allmählich von ei
ner vorbestimmten Spannung auf eine niedrigere Spannung als
die maximale Spannung des ersten Impulssignals verringert,
sowie eine Vergleichsschaltung, die eine Spannung des durch
die Zeitkonstantenschaltung erzeugten Signals mit einer Span
nung des von der ersten Impulssignal-Ausgangsschaltung ausge
gebenen ersten Impulssignals vergleicht und das dem Ver
gleichsergebnis entsprechende Ausgangssignal ausgibt.
In einer bevorzugten Konfiguration der erfindungsgemäßen
Startvorrichtung des Elektromotors hat die Triggerschaltung
(26) einen Fotokoppler (FC1), in den das von der Ausgangs
schaltung ausgegebene Ausgangssignal eingegeben wird und der
den elektrischen Triggerstrom ausgibt.
In einer bevorzugten Konfiguration der erfindungsgemäßen
Startvorrichtung des Elektromotors hat die Triggerschaltung
(26) ein Schaltelement, das sich auf der Grundlage des von
der Ausgangsschaltung ausgegebenen Ausgangssignals einschal
tet, und einen Kondensator, der durch einen von der Stromver
sorgungsschaltung zugeführten elektrischen Strom elektrisch
geladen wird, wenn sich das Schaltelement einschaltet; wobei
sich der Fotokoppler einschaltet, wenn der Kondensator elek
trisch geladen wird.
In der Erfindung leitet die Ausgangsschaltung den von
der Übergabestromversorgung zugeführten elektrischen Überga
bestrom um, erzeugt das Impulssignal auf der Grundlage des
elektrischen Umleitungsstroms, erzeugt das Signal, dessen
Ausgangsspannung sich allmählich von der vorbestimmten Span
nung auf die niedrigere Spannung als die maximale Spannung
des Impulssignals verringert, vergleicht die Spannung dieses
Signals mit der Spannung des Impulssignals und gibt das dem
Vergleichsergebnis entsprechende Ausgangssignal aus.
Ist anders ausgedrückt die Spannung des Signals im Ver
gleich mit der Spannung des vorgenannten Impulssignals kon
stant, hat das Ausgangssignal eine feste Periode. Verringert
sich dagegen die Spannung des Signals allmählich, kann sich
die Periode des Ausgangssignals allmählich verkürzen.
Beispielsweise ist für das Signal in einer später zu be
schreibenden Ausführungsform der Erfindung das Signal, das
die Referenzspannung einer Vergleichsschaltung A2 wird, A2+
gemäß Fig. 2. Das Impulssignal ist ein Signal A2-. Da das Si
gnal A2+ eine Steilheit hat, die sich von 5 V allmählich auf
1,5 V verringert, wird das Ausgangssignal der Vergleichs
schaltung A2 das Impulssignal, dessen tiefpeglige Periode
sich gemäß Fig. 2 allmählich verkürzt.
Danach gibt eine Triggerschaltung 26 den Triggerstrom
auf der Grundlage der Ausgangstaktung des Ausgangssignals
aus, das von einer Stromversorgungsschaltung 20, einer Null
durchgangs-Detektionsschaltung 22 und einer Triggertaktungs
schaltung 24 ausgegeben wird, die der Ausgangsschaltung ent
sprechen.
Da sich also gemäß der vorstehenden Beschreibung die Pe
riode der Ausgangstaktung allmählich verkürzt, verkürzt sich
allmählich die Periode, in der der elektrische Triggerstrom
ausgegeben wird.
In einen dem Halbleitersteuerelement entsprechenden
Triac Q1 wird der von der Triggerschaltung 26 ausgegebene
elektrische Triggerstrom eingegeben, damit er leitend wird.
Da anders gesagt der elektrische Triggerstrom mit der
genannten Periode in den Triac Q1 eingegeben wird, damit er
sich einschaltet, verkürzt sich die leitfähige Periode all
mählich, und die Phase der am Elektromotor 12 angelegten
Spannung wird in Übereinstimmung mit der Periode gesteuert.
In der bevorzugten Konfiguration der erfindungsgemäßen
Startvorrichtung des Elektromotors wird der von der Übergabe
stromversorgung zugeführte elektrische Übergabestrom durch
die Stromversorgungsschaltung umgeleitet und gleichgerichtet.
In der später zu beschreibenden Ausführungsform der Er
findung wird z. B. der von einer Übergabestromversorgung 13
zugeführte elektrische Übergabestrom zu einem Umleitungsweg
21 in der Stromversorgungsschaltung 20 umgeleitet, und der
elektrische Umleitungsstrom wird durch eine Diodenbrücke DB1
in der Stromversorgungsschaltung 20 gleichgerichtet.
Danach wird der Spannungswert des gleichgerichteten
elektrischen Stroms mit einem vorbestimmten Referenzspan
nungswert durch eine erste Impulssignal-Ausgangsschaltung
verglichen, und ein dem Vergleichsergebnis entsprechendes er
stes Impulssignal wird von der ersten Impulssignal-Ausgangs
schaltung ausgegeben.
In der später zu zeigenden Ausführungsform der Erfindung
wird z. B. in eine Vergleichsschaltung A1 in einer Nulldurch
gangs-Detektionsschaltung 22, die der ersten Impulssignal-
Ausgangsschaltung entspricht, ein Signal A1+ gemäß Fig. 2
eingegeben, das durch die Diodenbrücke DB1 gleichgerichtet
ist. Die Vergleichsschaltung A1 vergleicht das Signal A1+ mit
einer Referenzspannung A1-. Danach wird ein dem Vergleichser
gebnis entsprechendes Impulssignal (A1-Ausgabe) von der Ver
gleichsschaltung A1 ausgegeben.
Ferner erzeugt eine Zeitkonstantenschaltung in der zwei
ten Impulssignal-Ausgangsschaltung ein Signal, dessen Aus
gangsspannung sich allmählich von der vorbestimmten Spannung
auf eine niedrigere Spannung als die maximale Spannung des
ersten Impulssignals verringert.
Beispielsweise erzeugt in der später zu beschreibenden
Ausführungsform der Erfindung eine Zeitkonstantenschaltung 25
in der Triggertaktungsschaltung 24, die der zweiten Impuls
signal-Ausgangsschaltung entspricht, gemäß Fig. 2 das Signal
A2+, dessen Ausgangsspannung sich von 5 V auf 1,5 V allmäh
lich verringert.
Anders ausgedrückt kann die aus einem Elektrolytkonden
sator C2, einem Widerstand R10 und einem Widerstand R11 be
stehende Zeitkonstantenschaltung 25 das Signal A2+ erzeugen,
und die Steilheit des Signals A2+ läßt sich durch Ändern ei
ner Zeitkonstante der Zeitkonstantenschaltung 25 ändern.
Anschließend vergleicht die Vergleichsschaltung in der
zweiten Impulssignal-Ausgangsschaltung die Spannung des vor
genannten Signals mit der Spannung des von der ersten Impuls
signal-Ausgangsschaltung ausgegebenen ersten Impulssignals
und gibt das dem Vergleichsergebnis entsprechende Ausgangs
signal aus.
Zum Beispiel wird in der später zu zeigenden Ausfüh
rungsform der Erfindung das von der Vergleichsschaltung A1
ausgegebene Impulssignal in ein Dreieckimpulssignal A2- gemäß
Fig. 2 durch einen Kondensator C3 in der Nulldurchgangs-De
tektionsschaltung 22 umgewandelt, die der ersten Impulssi
gnal-Ausgangsschaltung entspricht. Die Spannung dieses Im
pulssignals und die Spannung des Signals A2+ werden durch die
Vergleichsschaltung A2 verglichen. Ein diesem Vergleichser
gebnis entsprechendes Ausgangssignal (A2-Ausgangssignal) wird
von der Vergleichsschaltung A2 ausgegeben.
Ändert sich anders gesagt die Steilheit des Signals A2+
gemäß Fig. 2, kann wegen der Änderung eines Schnittpunkts des
Signals A2+ und des Signals A2- die Periode des Ausgangssi
gnals A2 durch Ändern der Zeitkonstante der Zeitkonstanten
schaltung 25 geändert werden.
In der bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen
Startvorrichtung des Elektromotors hat die Triggerschaltung
26 einen Fotokoppler, in den das von der Vergleichsschaltung
ausgegebene Ausgangssignal eingegeben wird und der den elek
trischen Triggerstrom ausgibt. Die Leuchtperiode des Foto
kopplers läßt sich durch Ändern der Zeitkonstante der Zeit
konstantenschaltung 25 ändern.
Zum Beispiel wird in der später beschriebenen Ausfüh
rungsform der Erfindung ein dem Halbleitersteuerelement ent
sprechender Triac Q1 leitend, wenn ein Foto-Triac-Koppler FC1
in der Triggerschaltung 26 leuchtet, und durch Ändern der
Leuchtperiode des Foto-Triac-Kopplers FC1 kann die leitende
Taktung des Triacs Q1 geändert werden. Durch diese leitende
Taktung steuert der Triac Q1 die Phase der am Elektromotor 12
angelegten Spannung.
Indem der Foto-Triac-Koppler FC1 entsprechend der Peri
ode des von der zweiten Impulssignal-Ausgangsschaltung ausge
gebenen zweiten Impulssignals zum Leuchten gebracht wird,
läßt sich also die Phasensteuerung realisieren, die der Peri
ode des zweiten Impulssignals entspricht.
In der bevorzugten Konfiguration der erfindungsgemäßen
Startvorrichtung des Elektromotors schaltet sich das Schalt
element in der Triggerschaltung auf der Grundlage des von der
Ausgangsschaltung ausgegebenen Ausgangssignals ein. Der Kon
densator in der Triggerschaltung wird durch den von der
Stromversorgungsschaltung zugeführten elektrischen Strom
elektrisch geladen, wenn sich das Schaltelement einschaltet.
Der Fotokoppler schaltet sich ein, wenn der Kondensator elek
trisch geladen wird.
Da sich anders ausgedrückt der Fotokoppler nur kurzzei
tig einschaltet, bis der Kondensator geladen ist, läßt sich
der elektrische Stromverbrauch in der Stromversorgungsschal
tung im Vergleich zu einem Fall senken, in dem sich der Foto
koppler direkt durch das Ausgangssignal einschaltet.
Wie später beschrieben wird, läßt sich zudem die elek
trische Bemessungsleistung eines Widerstands R1 auf etwa 1/10
verringern, da der Widerstand klein sein kann, und der Raum
zur Unterbringung der Startvorrichtung des Elektromotors kann
klein sein.
Im folgenden wird die Erfindung anhand der beigefügten
Zeichnungen erläutert.
Fig. 1 ist ein Schaltbild einer Hauptanordnung einer
Startvorrichtung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
Fig. 2 ist ein Zeitdiagramm von Eingangs- und Ausgangs
signalen einer Vergleichsschaltung A1 und einer Vergleichs
schaltung A2, die in der Startvorrichtung von Fig. 1 verwen
det werden.
Fig. 3 ist ein Zeitdiagramm von Ausgangssignalen der
Vergleichsschaltung A2, eines Foto-Triac-Kopplers FC1 bzw.
eines Triacs Q1.
Fig. 4 ist ein Zeitdiagramm von Eingangs- und Ausgangs
signalen der Vergleichsschaltung A2 bei Änderung einer Zeit
konstante einer Zeitkonstantenschaltung 25.
Fig. 5 ist ein Zeitdiagramm von Ausgangssignalen der
Vergleichsschaltung A2, des Foto-Triac-Kopplers FC1 und des
Triacs Q1 für den Fall von Fig. 4.
Fig. 6 ist ein Schaltbild eines Aufbaus einer vom Anmel
der vorgeschlagenen Hauptstartvorrichtung.
Fig. 7 ist ein Schaltbild einer bekannten Startvorrich
tung.
Im folgenden wird eine Ausführungsform der Erfindung nä
her anhand der beigefügten Zeichnungen beschrieben.
Fig. 1 ist ein Schaltbild einer Hauptanordnung einer er
findungsgemäßen Startvorrichtung für einen Motor (im folgen
den als Startvorrichtung bezeichnet). Fig. 2 ist ein Zeitdia
gramm von Eingangs- und Ausgangssignalen einer Vergleichs
schaltung A1 und einer Vergleichsschaltung A2, die in der
Startvorrichtung von Fig. 1 verwendet werden. Fig. 3 ist ein
Zeitdiagramm von Ausgangssignalen der Vergleichsschaltung A2,
eines Foto-Triac-Kopplers FC1 und eines Triacs Q1.
In dieser Ausführungsform wird die Startvorrichtung des
Übergabekommutatormotors (im folgenden als Elektromotor be
zeichnet) eines Elektrowerkzeugs als Beispiel erläutert. Der
Elektromotor ist mit 230 V Eingangsspannung und 2 kW elektri
schem Stromverbrauch bemessen.
Im folgenden wird die Hauptanordnung der Startvorrich
tung erläutert.
Die Startvorrichtung 10 hat einen Schalter 14, der einen
Elektromotor 12 startet und stoppt; eine Stromversorgungs
schaltung 20, die einen von einer Übergabestromversorgung 13
zugeführten elektrischen Übergabestrom gleichrichtet; eine
Nulldurchgangs-Detektionsschaltung 22, die eine Referenzspan
nung mit einer Spannung des durch die Stromversorgungsschal
tung 20 gleichgerichteten elektrischen Stroms vergleicht; ei
ne Triggertaktungsschaltung 24, die eine Referenzspannung mit
einer Spannung eines von der Nulldurchgangs-Detektionsschal
tung 22 ausgegebenen Signals vergleicht; eine Triggerschal
tung 26 mit einem Foto-Triac-Koppler FC1, der sich auf der
Grundlage des von der Triggertaktungsschaltung 24 ausgegebe
nen Signals einschaltet; und einen Triac Q1, in dessen Gate
von der Triggerschaltung 26 ausgegebener elektrischer Trig
gerstrom eingegeben wird, damit er leitend wird.
Im folgenden wird die Arbeitsweise der Startvorrichtung
10 erläutert.
Schaltet ein Benutzer des Elektrowerkzeugs den Schalter
14 ein, wird der von der Übergabestromversorgung 13 zugeführ
te elektrische Übergabestrom über einen Umleitungsweg 21 in
der Stromversorgungsschaltung 20 umgeleitet. Der elektrische
Umleitungsstrom wird durch eine Diodenbrücke DB1 gleichge
richtet. Der gleichgerichtete elektrische Strom wird durch
einen Widerstand R1, einen Elektrolytkondensator C1 und einer
Zenerdiode D1 geglättet, durch einen Widerstand R4 und einen
Widerstand R5 spannungsgeteilt und als Referenzspannung der
Vergleichsschaltung A1 der Nulldurchgangs-Detektionsschaltung
verwendet (siehe A1- in Fig. 2).
Der durch die Diodenbrücke DB1 gleichgerichtete elektri
sche Strom wird einer Spannungsteilung durch einen Widerstand
R2 und einen Widerstand R3 unterzogen und in die Vergleichs
schaltung A1 eingegeben (siehe A1+ in Fig. 2).
In dieser Ausführungsform haben die Widerstände R1 bis
R5 Werte von 82 kΩ (1 W), 1 MΩ, 15 kΩ, 33 kΩ bzw. 4,7 kΩ.
Der Elektrolytkondensator C1 hat 4,7 µF (35 V). Die Zener
diode D1 hat 10 V (0,2 W). In diesem Fall beträgt die maxima
le Spannung des in die Vergleichsschaltung A1 eingegebenen
Signals 4,8 V gemäß Fig. 2. Die Referenzspannung der Ver
gleichsschaltung A1 beträgt 1,25 V.
Danach vergleicht die Vergleichsschaltung A1 die Refe
renzspannung mit einem Eingangssignal (im folgenden als Si
gnal A1+ bezeichnet) und detektiert einen Zeitpunkt, an dem
das Signal A1+ die Referenzspannung A1- übersteigt. Wie in
Fig. 2 durch die A1-Ausgabe gezeigt ist, gibt die Vergleichs
schaltung A1 das Detektionsergebnis als Rechteckimpulssignale
aus, die hochpeglig werden, sobald das Signal A1+ über 1,25 V
liegt, und tiefpeglig werden, sobald es unter 1,25 V liegt.
Gemäß A2- in Fig. 2 werden die von der Vergleichsschal
tung A1 ausgegebenen Impulssignale in Dreieckimpulssignale,
die ersten Impulssignalen entsprechen, durch einen Widerstand
R8 und einen Kondensator C3 umgewandelt, und die Dreieckim
pulssignale werden in eine Vergleichsschaltung A2 eingegeben.
Gemäß Fig. 2 werden die von der Vergleichsschaltung A1 ausge
gebenen Impulssignale in ein sich im zeitlichen Verlauf all
mählich von 5 V auf 1,5 V verringerndes Signal durch eine
Zeitkonstantenschaltung 25 umgewandelt, die aus einem Elek
trolytkondensator C2, einem Widerstand R10 und einem Wider
stand R11 besteht. Dieses Signal wird als Referenzspannung
A2+ in der Vergleichsschaltung A2 verwendet.
In dieser Ausführungsform haben die Widerstände R8 bis
R11 Werte von 1 MΩ, 1 MΩ, 220 kΩ bzw. 220 kΩ, der Wider
stand R6 hat 10 kΩ, der Elektrolytkondensator C2 hat 2,2 µF
(35 V), der Kondensator C3 hat 0,01 µF, und die Diode D2 und
die Diode D4 haben jeweils einen Wert von 40 V (0,1 A).
Die Vergleichsschaltung A2 vergleicht eine Spannung von
Eingangsimpulssignalen (im folgenden Signal A2- genannt) mit
der Referenzspannung und gibt zweiten Impulssignalen entspre
chende Rechteckimpulse aus, die tiefpeglig werden, sobald das
Signal A2- die Referenzspannung übersteigt, und hochpeglig
werden, sobald das Signal A2 niedriger als die Referenzspan
nung ist. Für eine Periode der von dieser Vergleichsschaltung
A2 ausgegebenen Impulssignale erfolgt keine Synchronisation
in der Periode des von der Übergabestromversorgung 13 zuge
führten elektrischen Übergabestroms, was im Vergleich mit dem
durch die Stromversorgungsschaltung 20 gleichgerichteten Si
gnal A1+ gemäß Fig. 2 verständlich wird, und die tiefpeglig
werdende Periode verkürzt sich allmählich. Die von der Ver
gleichsschaltung A2 ausgegebenen Impulssignale werden in eine
Basis eines einem Schaltelement entsprechenden Transistors Q2
über einen Widerstand R12 eingegeben. Der Transistor Q2
schaltet sich ein, wenn diese Eingangsimpulssignale tiefpeg
lig werden.
Durch Einschalten des Transistors Q2 wird ein Kondensa
tor C4 durch einen von der Stromversorgungsschaltung 20 zuge
führten elektrischen Strom geladen. Ein Foto-Triac-Koppler
FC1 schaltet sich ein, bis eine Spannung über dem Kondensator
C4 einen vorbestimmten Wert erreicht. Durch das Einschalten
schaltet sich ein Triac Q1 ein, und die von der Übergabe
stromversorgung 13 zugeführte Spannung wird am Elektromotor
12 angelegt. Der Kondensator C4 wird durch einen Widerstand
R7 entladen.
Bei einer Taktung, in der die von der Vergleichsschal
tung A2 ausgegebenen Impulssignale gemäß Fig. 3 tiefpeglig
sind, schaltet sich anders ausgedrückt der Foto-Triac-Koppler
FC1 ein, und der Triac Q1 wird leitend, wodurch die Phase der
am Elektromotor 12 angelegten Spannung gesteuert wird.
In dieser Ausführungsform haben die Widerstände R12, R13
22 kΩ bzw. 220 Ω, und der Widerstand R7 hat 2,2 kΩ. Der Kon
densator C4 hat 0,47 µF, und die Diode D3 hat 40 V (0,1 A).
Der Transistor Q2 ist vom Typ 2SA1162 (GR) (hergestellt von
Toshiba Corp.), der Foto-Triac-Koppler ist vom Typ S21MS3
(hergestellt von Sharp Corp.), und der Triac Q1 hat 30 A,
600 V.
Die Taktung, in der sich der Foto-Triac-Koppler FC1 ein
schaltet, ist mit der Taktung synchronisiert, in der die von
der Vergleichsschaltung A2 ausgegebenen Impulssignale tief
peglig sind. Die Taktung, in der sie tiefpeglig sind, hängt
von der Taktung ab, bei der sich das Signal A2- und das Si
gnal A2+ kreuzen.
Bei konstant gehaltener Referenzspannung wird z. B. eine
Periode, in der die von der Vergleichsschaltung A2 ausgegebe
nen Signale nach dem letzten tiefpegligen Übergang durch Null
gehen, ein konstantes Intervall, dessen Periode mit der
Stromversorgungsfrequenz synchronisiert ist. Da aber bei der
Startvorrichtung 10 gemäß der Ausführungsform die Referenz
spannung A2+ in der Steilheit abfällt und sich die Spannung
allmählich verringert, verlängert sich die Periode, in der
die von der Vergleichsschaltung A2 ausgegebenen Impulssignale
nach dem letzten tiefpegligen Übergang durch Null gehen, im
zeitlichen Verlauf.
Als Beispiel dafür dient der schraffierte Teil der
Q1-Ausgabe in Fig. 3.
Fig. 4 zeigt ein Zeitdiagramm von Eingangs- und Aus
gangssignalen der Vergleichsschaltung A2, wenn die Zeitkon
stante der Zeitkonstantenschaltung 25 geändert ist und die
Steilheit der Referenzspannung A2+ flacher als die vorgenann
te Referenzspannung A2+ von Fig. 2 ist. Außerdem zeigt Fig. 5
ein Zeitdiagramm des Ausgangssignals vom Foto-Triac-Koppler
FC1 bzw. Triac Q1 für diesen Fall.
Ist gemäß Fig. 5 die Abnahme der Referenzspannung A2+
gering und ihre Steilheit flach, wird die Einschaltperiode
des Foto-Triac-Kopplers FC1 lang, was die leitende Periode
des Triacs Q1 verlängert.
Da im Vergleich mit dem Fall, in dem die Steilheit der
Referenzspannung A2+ Fig. 2 entspricht, die Rate der mittle
ren Spannungszunahme der am Elektromotor 12 durch den Triac
Q1 angelegten Spannung klein wird, steigt die Drehzahl des
Elektromotors 12 allmählicher als im Fall von Fig. 2.
Da gemäß der Erläuterung das Triggersignal in der Start
vorrichtung 10 dieser Ausführungsform durch die Taktung von
der Vergleichsschaltung A2 ausgegeben wird, kann auch bei
Schwankung taktungsbeeinflussender Teile die zeitliche
Schwankung des sanften Starts unterdrückt sein.
Auch bei größter Schwankung der taktungsbeeinflussenden
Teile in einem Experiment im Rahmen der Erfindung (±1%
Schwankung für R8 bis R11, ±5% Schwankung für C3 und ±20%
Schwankung für C2) konnte die zeitliche Schwankung des sanf
ten Starts auf etwa das 1,2fache begrenzt werden.
Durch die Startvorrichtung 10 der Ausführungsform kann
zudem ohne eine teure IC zur Phasensteuerung die Drehzahl des
Elektromotors 12 schnell oder allmählich durch Ändern der
Zeitkonstante der Zeitkonstantenschaltung 25 steigen.
Anders ausgedrückt läßt sich die Art und Weise ändern,
wie der Elektromotor 12 startet.
Beim Einschalten des Transistors Q2 wird zudem der Kon
densator C4 elektrisch geladen. Im Experiment im Rahmen der
Erfindung betrug die elektrische Ladezeit etwa 0,1 ms. Da
durch läßt sich die Einschaltzeit des Foto-Triac-Kopplers
stark im Vergleich mit einem Fall verkürzen, in dem der Foto-
Triac-Koppler FC1 direkt durch die von der Vergleichsschal
tung A2 ausgegebenen Impulssignale angesteuert wird (bei sei
ner direkten Ansteuerung ist die Einschaltzeit des Foto-
Triac-Kopplers FC1 gleich der Zeit, in der das von der Ver
gleichsschaltung A2 ausgegebene Impulssignal tiefpeglig ist).
Dadurch verringert sich der elektrische Stromverbrauch des
Widerstands R1 der Stromversorgungsschaltung 20 auf etwa
1/10, und die elektrische Bemessungsleistung der Zenerdiode
D1 kann klein sein.
Zu beachten ist, daß sich die Art des Starts des Elek
tromotors 12 ändern läßt, indem die Referenzspannung A1- der
Vergleichsschaltung A1 oder der Wert des Widerstands R8 und
Kondensators C3 geändert werden, um die Wellenform des Ein
gangssignals A2- der Vergleichsschaltung A2 zu ändern und um
so die Periode der von der Vergleichsschaltung A2 ausgegebe
nen Impulssignale zu ändern. In der vorgenannten Ausführungs
form wurde außerdem ein Foto-Triac-Koppler als Fotokoppler
verwendet, wobei jedoch auch ein allgemeiner Fotokoppler un
ter Verwendung eines Transistors, ein Fotokoppler mit Überga
beeingang, ein Foto-Thyristor-Koppler oder eine LED-Cds-Zelle
usw. zum Einsatz kommen können.
Ferner entsprechen die Stromversorgungsschaltung 20, die
Nulldurchgangs-Detektionsschaltung 22 und die Triggertak
tungsschaltung 24 einer Ausgangsschaltung der Erfindung. Die
Nulldurchgangs-Detektionsschaltung 22 kommt einer ersten Im
pulssignal-Ausgangsschaltung gleich. Zudem entspricht die
Triggertaktungsschaltung 24 einer zweiten Impulssignal-Aus
gangsschaltung.
Wie erwähnt wurde, kann durch die Startvorrichtung der
Erfindung die zeitliche Änderung des sanften Starts infolge
der Teileschwankung unterdrückt sein. Außerdem kann eine
Startvorrichtung für einen Elektromotor realisiert sein, mit
der sich der Drehzahlanstieg des Elektromotors frei einstel
len läßt.
Wenngleich die Erfindung im Zusammenhang mit einer be
stimmten bevorzugten Ausführungsform offenbart wurde, ist
verständlich, daß sich die Erfindung über die speziell offen
barte Ausführungsform hinaus auch auf andere alternative Aus
führungsformen der Erfindung erstreckt. Somit soll der
Schutzumfang der Erfindung nicht durch die offenbarte Ausfüh
rungsform beschränkt, sondern durch die nachfolgenden Ansprü
che bestimmt sein.
Claims (4)
1. Startvorrichtung für einen Elektromotor, die eine Dreh
zahl des Elektromotors durch Steuern einer Phase einer
Spannung erhöht, die an dem Elektromotor von einer Über
gabestromversorgung bei einem Start angelegt wird,
wobei die Startvorrichtung des Elektromotors aufweist:
eine Ausgangsschaltung (20, 22, 24), die einen von der Übergabestromversorgung zugeführten elektrischen Überga bestrom umleitet, ein Impulssignal auf der Grundlage dieses elektrischen Umleitungsstroms erzeugt, ein Signal erzeugt, dessen Ausgangsspannung sich allmählich von ei ner vorbestimmten Spannung auf eine niedrigere Spannung als eine maximale Spannung des Impulssignals verringert, eine Spannung dieses Signals mit einer Spannung des Im pulssignals vergleicht und ein einem Vergleichsergebnis entsprechendes Ausgangssignal ausgibt;
eine Triggerschaltung (26), die einen Triggerstrom auf der Grundlage einer Ausgangstaktung des von der Aus gangsschaltung ausgegebenen Ausgangssignals ausgibt; und
ein Halbleitersteuerelement (Q1), in das der von der Triggerschaltung ausgegebene elektrische Triggerstrom eingegeben wird, damit es leitfähig wird, und das die Phase der an dem Elektromotor von der Übergabestromver sorgung angelegten Spannung steuert.
eine Ausgangsschaltung (20, 22, 24), die einen von der Übergabestromversorgung zugeführten elektrischen Überga bestrom umleitet, ein Impulssignal auf der Grundlage dieses elektrischen Umleitungsstroms erzeugt, ein Signal erzeugt, dessen Ausgangsspannung sich allmählich von ei ner vorbestimmten Spannung auf eine niedrigere Spannung als eine maximale Spannung des Impulssignals verringert, eine Spannung dieses Signals mit einer Spannung des Im pulssignals vergleicht und ein einem Vergleichsergebnis entsprechendes Ausgangssignal ausgibt;
eine Triggerschaltung (26), die einen Triggerstrom auf der Grundlage einer Ausgangstaktung des von der Aus gangsschaltung ausgegebenen Ausgangssignals ausgibt; und
ein Halbleitersteuerelement (Q1), in das der von der Triggerschaltung ausgegebene elektrische Triggerstrom eingegeben wird, damit es leitfähig wird, und das die Phase der an dem Elektromotor von der Übergabestromver sorgung angelegten Spannung steuert.
2. Startvorrichtung für einen Elektromotor nach Anspruch 1,
wobei die Ausgangsschaltung aufweist:
eine Stromversorgungsschaltung (20), die den elektri schen Übergabestrom umleitet und den elektrischen Umlei tungsstrom gleichrichtet;
eine erste Impulssignal-Ausgangsschaltung (22), die ei nen Spannungswert des durch die Stromversorgungsschal tung gleichgerichteten elektrischen Stroms mit einem vorbestimmten Referenzspannungswert vergleicht und ein einem Vergleichsergebnis entsprechendes erstes Impuls signal ausgibt; und
eine zweite Impulssignal-Ausgangsschaltung (24) mit ei ner Zeitkonstantenschaltung (25), die ein Signal er zeugt, dessen Ausgangsspannung sich allmählich von einer vorbestimmten Spannung auf eine niedrigere Spannung als die maximale Spannung des ersten Impulssignals verrin gert, sowie eine Vergleichsschaltung, die eine Spannung des durch die Zeitkonstantenschaltung erzeugten Signals mit einer Spannung des von der ersten Impulssignal-Aus gangsschaltung ausgegebenen ersten Impulssignals ver gleicht und das dem Vergleichsergebnis entsprechende Ausgangssignal ausgibt.
eine Stromversorgungsschaltung (20), die den elektri schen Übergabestrom umleitet und den elektrischen Umlei tungsstrom gleichrichtet;
eine erste Impulssignal-Ausgangsschaltung (22), die ei nen Spannungswert des durch die Stromversorgungsschal tung gleichgerichteten elektrischen Stroms mit einem vorbestimmten Referenzspannungswert vergleicht und ein einem Vergleichsergebnis entsprechendes erstes Impuls signal ausgibt; und
eine zweite Impulssignal-Ausgangsschaltung (24) mit ei ner Zeitkonstantenschaltung (25), die ein Signal er zeugt, dessen Ausgangsspannung sich allmählich von einer vorbestimmten Spannung auf eine niedrigere Spannung als die maximale Spannung des ersten Impulssignals verrin gert, sowie eine Vergleichsschaltung, die eine Spannung des durch die Zeitkonstantenschaltung erzeugten Signals mit einer Spannung des von der ersten Impulssignal-Aus gangsschaltung ausgegebenen ersten Impulssignals ver gleicht und das dem Vergleichsergebnis entsprechende Ausgangssignal ausgibt.
3. Startvorrichtung für einen Elektromotor nach Anspruch 1
oder 2, wobei die Triggerschaltung (26) einen Fotokopp
ler (FC1) hat, in den das von der Ausgangsschaltung aus
gegebene Ausgangssignal eingegeben wird und der den
elektrischen Triggerstrom ausgibt.
4. Startvorrichtung für einen Elektromotor nach Anspruch 3,
wobei die Triggerschaltung (26) aufweist:
ein Schaltelement, das sich auf der Grundlage des von der Ausgangsschaltung ausgegebenen Ausgangssignals ein schaltet, und einen Kondensator, der durch einen von der Stromversorgungsschaltung zugeführten elektrischen Strom elektrisch geladen wird, wenn sich das Schaltelement einschaltet;
wobei sich der Fotokoppler einschaltet, wenn der Konden sator elektrisch geladen wird.
ein Schaltelement, das sich auf der Grundlage des von der Ausgangsschaltung ausgegebenen Ausgangssignals ein schaltet, und einen Kondensator, der durch einen von der Stromversorgungsschaltung zugeführten elektrischen Strom elektrisch geladen wird, wenn sich das Schaltelement einschaltet;
wobei sich der Fotokoppler einschaltet, wenn der Konden sator elektrisch geladen wird.
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