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Die
Erfindung betrifft allgemein Startvorrichtungen von Elektromotoren.
Insbesondere betrifft die Erfindung Stärtvorrichtungen von Elektromotoren, die
die Spannung einer Phase steuern, die an den Elektromotor von einer Übergabestromversorgung angelegt
wird, um den Elektromotor gleichmäßig anlaufen zu lassen, und
die als Startvorrichtung eines Kommutatormotors für ein Elektrowerkzeug
geeignet ist.
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Für ein Elektrowerkzeug
kommt allgemein ein universeller Kommutatormotor zum Einsatz. Beim Starten
durchfließt
ein elektrischer Einschaltstromstoß diesen Kommutatormotor.
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Ein
besonders großer
elektrischer Einschaltstromstoß fließt zu einem
Kommutatormotor mit einem elektrischen Leistungsverbrauch über 1 kW. Problematisch
ist, daß wegen
dieses elektrischen Einschaltstromstoßes ein hoher Spannungsabfall
in Verbrauchern auftritt, die mit dem gleichen Stromversorgungssystem
wie das Elektrowerkzeug verbunden sind.
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Um
den Einfluß dieses
elektrischen Einschaltstromstoßes
zu verhindern, wird eine bekannte Schaltung gemäß 7 vorgeschlagen.
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Beim
Einschalten eines Schalters 40 wird durch diese Schaltung
zu einem Verbraucher 42 von einer Übergabestromversorgung 41 geführter Übergabestrom über einen
Widerstand R31 zu einem Weg 43 umgeleitet, und der Umleitungsstrom
wird durch eine Diodenbrücke
DB2 gleichgerichtet. Mit dem gleichgerichteten Strom wird ein Elektrolytkondensator
C11 geladen, bei Abschluß der
elektrischen Ladung dieses Elektrolytkondensators 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.
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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.
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Danach
schwingt sich die Triggerphase der Triggerdiode Q6 auf einen Wert
ein, der von einer elektrischen Ladezeitkonstante der Widerstände R31,
R32 und des Kondensators C10 abhängt,
und der Verbraucher 42 wird stabil angesteuert.
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Um
beim Kommutatormotor in der Verwendung für das Elektrowerkzeug mit großem elektrischem
Stromverbrauch das vorgenannte Problem zu lösen, ist ein sogenannter sanfter
Start erforderlich, wobei beim sanften Start eine gleichmäßige Änderung
aus einem Startzustand in einen stabilen Zustand über mehrere
Sekunden erfolgt. In der Verwendung wird das Elektrowerkzeug häufig gestartet
und gestoppt, und eine sanfte Startmöglichkeit ist auch in diesem
Fall notwendig.
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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 elektrische
Umleitungsstrom umgeleitet wird, von der elektrischen Ladezeit des
Elektrolytkondensators C11 bestimmt ist, muß der Elektrolytkondensators
C11 mit einer elektrostatischen Kapazität (z. B. 33 μF) gewählt sein,
die mehrere Sekunden zum Abschluß der elektrischen Ladung benötigt.
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Schließt aber
der Elektrolytkondensator C11 die elektrische 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 eingeschaltet wird, muß der Elektrolytkondensator
C11 elektrisch entladen sein, bis der Schalter 40 nach
Ausschalten erneut eingeschaltet wird.
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Zum
Verkürzen
der elektrischen Entladezeit muß ein
Widerstandswert 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.
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Wird
anders ausgedrückt
der sanfte Start auch dann realisiert, wenn der Schalter kurz nacheinander
aus- und eingeschaltet wird, besteht ein Problem darin, daß der Kommutatormotor
nicht die Bemessungsdrehzahl erzeugen kann.
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Vom
Anmelder wurde eine Startvorrichtung für einen Elektromotor gemäß 6 vorgeschlagen.
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Durch
eine in 6 gezeigte Startvorrichtung 30 für einen
Elektromotor wird elektrischer Strom, der einen Widerstand R16 durchlaufen
hat, zu einem Umleitungsweg 35 umgeleitet, der elektrische Umleitungsstrom
wird durch eine Diodenbrücke
DB1 gleichgerichtet, und der gleichgerichtete elektrische Strom
beginnt, einen Elektrolytkondensator C5 über eine Diode D5 und einen
Widerstand R18 zu laden. Mit fortschreitender elektrischer Ladung
des Elektrolytkondensators C5 verkürzt 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.
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Da
eine Spannung über
einem durch den elektrischen Umleitungsstrom 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 angesteuert
werden.
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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
Elektrolytkondensator C5 wird schnell entladen.
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Auch
wenn der Schalter 14 kurz nacheinander ein- und ausgeschaltet
wird, kann ein sanfter Start erfolgen.
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In
der Startvorrichtung 30 des Elektromotors gemäß der 6 ist
der Zündwinkel
der Triggerdiode Q4 durch eine Zeitkonstante einer aus dem Widerstand
R16, einem Widerstand R17 und dem Kondensator C7 bestehenden Zeitkonstantenschaltung
sowie durch die Triggerspannung der Triggerdiode Q4 bestimmt.
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Anders
gesagt ändert
sich der Zündwinkel der
Triggerdiode Q4 stark durch Streuung bzw. Schwankung der Triggerspannung
der Triggerdiode Q4 sowie der Widerstände R16, R17 und des Kondensators
C7.
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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 %.
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Somit
kann wegen der Schwankung der Teile die sanfte Startzeit mit der
Startvorrichtung 30 des Elektromotors das Zweifache und
mehr betragen.
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Das
heißt,
es ist problematisch, daß der
Benutzer eine Diskrepanz beim Start des Elektrowerkzeugs infolge
der Genauigkeit einer Schaltungskonstante spürt.
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Zudem
besteht ein Problem darin, daß sich die
Anstiegszeit 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.
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Wenngleich
eine integrierte Schaltung bzw. IC für die Phasensteuerung verwendet
werden kann, ist die IC zur Phasensteuerung teuer, was die Kosten der
Startvorrichtung erhöht.
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In
der
DE 35 33 376 A1 wird
eine Phasenanschnittsteuerung zur Einschaltstrombegrenzung bei wechselspannungsgespeisten
Verbrauchern beschrieben, die einen in Serie zur Last liegenden
steuerbaren Leistungshalbleiter enthält, der an seiner Steuerelektrode über einen
Zündkreis
angesteuert wird, wobei die Phasenlage des Zündimpulses mittels eines den
Zündkreis
steuernden Zeitkreises allmählich
von dem Stromflusswinkel null auf dem maximalen Stromflusswinkel
geregelt wird.
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Daher
besteht die Aufgabe der Erfindung darin, eine Startvorrichtung für einen
Elektromotor bereitzustellen, die ein stabiles Gebrauchsgefühl beim Start
auch bei schwankender Genauigkeit der Teile vermittelt und die Anstiegszeit
der Drehzahl des Elektromotors ohne Verwendung eines ICs zur Phasensteuerung
frei einstellen kann.
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Die
Erfindung stellt eine Startvorrichtung für einen Elektromotor bereit,
die diese Aufgabe mit den Merkmalen des alleinigen Patentanspruchs
löst. Die Startvorrichtung
des Elektromotors erhöht
die Drehzahl des Elektromotors durch Steuern der Spannung einer
Phase, die am Elektromotor von einer Übergabestromversorgung beim
Start angelegt wird, wobei die Startvorrichtung des Elektromotors
aufweist: eine Ausgangsschaltung, die einen von der Übergabestromversorgung
zugeführten
elektrischen Übergabestrom
umleitet, ein Impulssignal auf der Grundlage dieses elektrischen
Umleitungsstroms erzeugt, ein Signal erzeugt, dessen Ausgangsspannung
sich allmählich
von einer vorbestimmten 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 Ausgangsschaltung
ausgegebenen Ausgangssignals ausgibt; und ein Halbleitersteuerelement
(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.
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Die
Ausgangsschaltung der erfindungsgemäßen Startvorrichtung weist
auf: eine Stromversorgungsschaltung, die den elek trischen Übergabestrom
umleitet und den elektrischen Umlei tungsstrom gleichrichtet; eine
erste Impulssignal-Ausgangsschaltung, die einen Spannungswert des
durch die Stromversorgungsschaltung gleichgerichteten elektrischen
Stroms mit einem vorbestimmten Referenzspannungswert vergleicht
und ein einem Vergleichsergebnis entsprechendes erstes Impulssignal ausgibt;
und eine zweite Impulssignal-Ausgangsschaltung mit einer Zeitkonstantenschaltung,
die ein weiteres Signal 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 Spannung des von der ersten Impulssignal-Ausgangsschaltung
ausgegebenen ersten Impulssignals vergleicht und das dem Vergleichsergebnis
entsprechende Ausgangsignal ausgibt.
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Die
Triggerschaltung der erfindungsgemäßen Startvorrichtung des Elektromotors
hat
einen Fotokoppler, in den das von der Ausgangsschaltung
ausgegebene Ausgangssignal eingegeben wird und der den elektrischen
Triggerstrom ausgibt,
ein Schaltelement, das sich auf der Grundlage
des von der Ausgangsschaltung ausgegebenen Ausgangssignals einschaltet,
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, während der Kondensator elektrisch
geladen wird.
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In
der Erfindung leitet die Ausgangsschaltung den von der Übergabestromversorgung
zugeführten
elektrischen Übergabestrom
um, erzeugt das Impulssignal auf der Grundlage des elektrischen
Umleitungsstroms, erzeugt das Signal, dessen Ausgangsspannung sich
allmählich
von der vorbestimmten Spannung 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.
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Ist
anders ausgedrückt
die Spannung des Signals im Vergleich mit der Spannung des vorgenannten
Impulssignals konstant, hat das Ausgangssignal eine feste Periode.
Verringert sich dagegen die Spannung des Signals allmählich, kann
sich die Periode des Ausgangssignals allmählich verkürzen.
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Beispielsweise
ist für
das Signal in einer später
zu beschreibenden Ausführungsform
der Erfindung das Signal, das die Referenzspannung einer Vergleichsschaltung
A2 wird, A2+ gemäß 2.
Das Impulssignal ist ein Signal A2–. Da das Signal A2+ eine Steilheit
hat, die sich von 5 V allmählich
auf 1,5 V verringert, wird das Ausgangssignal der Vergleichsschaltung
A2 das Impulssignal, dessen tiefpeglige Periode sich gemäß 2 allmählich verkürzt.
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Danach
gibt eine Triggerschaltung 26 den Triggerstrom auf der
Grundlage der Ausgangstaktung des Ausgangssignals aus, das von einer
Stromversorgungsschaltung 20, einer Nulldurchgangs-Detektionsschaltung 22 und
einer Triggertaktungsschaltung 24 ausgegeben wird, die
der Ausgangsschaltung entsprechen.
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Da
sich also gemäß der vorstehenden
Beschreibung die Periode der Ausgangstaktung allmählich verkürzt, verkürzt sich
allmählich
die Periode, in der der elektrische Triggerstrom ausgegeben wird.
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In
einen dem Halbleitersteuerelement entsprechenden Triac Q1 wird der
von der Triggerschaltung 26 ausgegebene elektrische Triggerstrom
eingegeben, damit er leitend wird.
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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 allmählich,
und die Phase der am Elektromotor 12 angelegten Spannung
wird in Übereinstimmung
mit der Periode gesteuert.
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In
der bevorzugten Konfiguration der erfindungsgemäßen Startvorrichtung des Elektromotors wird
der von der Übergabestromversorgung
zugeführte
elektrische Übergabestrom
durch die Stromversorgungsschaltung umgeleitet und gleichgerichtet.
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In
der später
zu beschreibenden Ausführungsform
der Erfindung 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.
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Danach
wird der Spannungswert des gleichgerichteten elektrischen Stroms
mit einem vorbestimmten Referenzspannungswert durch eine erste Impulssignal-Ausgangsschaltung
verglichen, und ein dem Vergleichsergebnis entsprechendes er stes
Impulssignal wird von der ersten Impulssignal-Ausgangsschaltung
ausgegeben.
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In
der später
zu zeigenden Ausführungsform der
Erfindung wird z. B. in eine Vergleichsschaltung A1 in einer Nulldurchgangs-Detektionsschaltung 22, die
der ersten Impulssignal-Ausgangsschaltung
entspricht, ein Signal A1+ gemäß 2 eingegeben, das
durch die Diodenbrücke
DB1 gleichgerichtet ist. Die Vergleichsschaltung A1 vergleicht das
Signal A1+ mit einer Referenzspannung A1–. Danach wird ein dem Vergleichsergebnis
entsprechendes Impulssignal (A1-Ausgabe) von der Vergleichsschaltung
A1 ausgegeben.
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Ferner
erzeugt eine Zeitkonstantenschaltung in der zweiten Impulssignal-Ausgangsschaltung
ein Signal, dessen Ausgangsspannung sich allmählich von der vorbestimmten
Spannung auf eine niedrigere Spannung als die maximale Spannung
des ersten Impulssignals verringert.
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Beispielsweise
erzeugt in der später
zu beschreibenden Ausführungsform
der Erfindung eine Zeitkonstantenschaltung 25 in der Triggertaktungsschaltung 24,
die der zweiten Impulssignal-Ausgangsschaltung entspricht, gemäß 2 das
Signal A2+, dessen Ausgangsspannung sich von 5 V auf 1,5 V allmählich verringert.
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Anders
ausgedrückt
kann die aus einem Elektrolytkondensator C2, einem Widerstand R10 und
einem Widerstand R11 bestehende Zeitkonstantenschaltung 25 das
Signal A2+ erzeugen, und die Steilheit des Signals A2+ läßt sich
durch Ändern
einer Zeitkonstante der Zeitkonstantenschaltung 25 ändern.
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Anschließend vergleicht
die Vergleichsschaltung in der zweiten Impulssignal-Ausgangsschaltung die
Spannung des vorgenannten Signals mit der Spannung des von der ersten
Impulssignal-Ausgangsschaltung ausgegebenen ersten Impulssignals und
gibt das dem Vergleichsergebnis entsprechende Ausgangssignal aus.
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Zum
Beispiel wird in der später
zu zeigenden Ausführungsform
der Erfindung das von der Vergleichsschaltung A1 ausgegebene Impulssignal
in ein Dreieckimpulssignal A2– gemäß 2 durch
einen Kondensator C3 in der Nulldurchgangs-Detektionsschaltung 22 umgewandelt,
die der ersten Impulssi gnal-Ausgangsschaltung entspricht. Die Spannung
dieses Impulssignals und die Spannung des Signals A2+ werden durch
die Vergleichsschaltung A2 verglichen. Ein diesem Vergleichsergebnis
entsprechendes Ausgangssignal (A2-Ausgangssignal) wird von der Vergleichsschaltung
A2 ausgegeben.
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Ändert sich
anders gesagt die Steilheit des Signals A2+ gemäß 2, kann
wegen der Änderung
eines Schnittpunkts des Signals A2+ und des Signals A2– die Periode
des Ausgangssignals A2 durch Ändern
der Zeitkonstante der Zeitkonstantenschaltung 25 geändert werden.
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In
der bevorzugten Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Startvorrichtung
des Elektromotors hat die Triggerschaltung 26 einen Fotokopppler, in
den das von der Vergleichsschaltung ausgegebene Ausgangssignal eingegeben
wird und der den elektrischen Triggerstrom ausgibt. Die Leuchtperiode des
Fotokopplers läßt sich
durch Ändern
der Zeitkonstante der Zeitkonstantenschaltung 25 ändern.
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Zum
Beispiel wird in der später
beschriebenen Ausführungsform
der Erfindung ein dem Halbleitersteuerelement entsprechender 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.
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Indem
der Foto-Triac-Koppler FC1 entsprechend der Periode des von der
zweiten Impulssignal-Ausgangsschaltung ausgegebenen zweiten Impulssignals
zum Leuchten gebracht wird, läßt sich also
die Phasensteuerung realisieren, die der Periode des zweiten Impulssignals
entspricht.
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In
der bevorzugten Konfiguration der erfindungsgemäßen Startvorrichtung des Elektromotors schaltet
sich das Schaltelement in der Triggerschaltung auf der Grundlage
des von der Ausgangsschaltung ausgegebenen Ausgangssignals ein.
Der Kondensator in der Triggerschaltung wird durch den von der Stromversorgungsschaltung
zugeführten
elektrischen Strom elektrisch geladen, wenn sich das Schaltelement
einschaltet.
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Der
Fotokoppler schaltet sich ein, wenn der Kondensator elektrisch geladen
wird.
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Da
sich anders ausgedrückt
der Fotokoppler nur kurzzeitig einschaltet, bis der Kondensator
geladen ist, läßt sich
der elektrische Stromverbrauch in der Stromversorgungsschaltung
im Vergleich zu einem Fall senken, in dem sich der Fotokoppler direkt durch
das Ausgangssignal einschaltet.
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Wie
später
beschrieben wird, läßt sich
zudem die elektrische 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.
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Im
folgenden wird die Erfindung anhand der beigefügten Zeichnungen erläutert.
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1 ist
ein Schaltbild einer Hauptanordnung einer Startvorrichtung gemäß einer
Ausführungsform
der Erfindung.
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2 ist
ein Zeitdiagramm von Eingangs- und Ausgangssignalen einer Vergleichsschaltung
A1 und einer Vergleichsschaltung A2, die in der Startvorrichtung
von 1 verwendet werden.
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3 ist
ein Zeitdiagramm von Ausgangssignalen der Vergleichsschaltung A2,
eines Foto-Triac-Kopplers FC1 bzw. eines Triacs Q1.
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4 ist
ein Zeitdiagramm von Eingangs- und Ausgangssignalen der Vergleichsschaltung
A2 bei Änderung
einer Zeitkonstante einer Zeitkonstantenschaltung 25.
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5 ist
ein Zeitdiagramm von Ausgangssignalen der Vergleichsschaltung A2,
des Foto-Triac-Kopplers FC1 und des Triacs Q1 für den Fall von 4.
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6 ist
ein Schaltbild eines Aufbaus einer vom Anmelder vorgeschlagenen
Hauptstartvorrichtung.
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7 ist
ein Schaltbild einer bekannten Startvorrichtung.
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Im
folgenden wird eine Ausführungsform
der Erfindung näher
anhand der beigefügten
Zeichnungen beschrieben.
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1 ist
ein Schaltbild einer Hauptanordnung einer erfindungsgemäßen Startvorrichtung 10 für einen
Elektromotor 12 (im folgenden als Startvorrichtung bezeichnet). 2 ist
ein Zeitdiagramm von Eingangs- und Ausgangssignalen einer Vergleichsschaltung
A1 und einer Vergleichsschaltung A2, die in der Startvorrichtung
von 1 verwendet werden. 3 ist ein
Zeitdiagramm von Ausgangssignalen der Vergleichsschaltung A2, eines
Foto-Triac-Kopplers FC1 und eines Triacs Q1.
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In
dieser Ausführungsform
wird die Startvorrichtung 10 eines Übergabekommutatormotors (im folgenden
als Elektromotor bezeichnet) eines Elektrowerkzeugs als Beispiel
erläutert.
Der Elektromotor ist mit 230 V Eingangsspannung und 2 kW elektrischem
Stromverbrauch bemessen.
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Im
folgenden wird die Hauptanordnung der Startvorrichtung 10 erläutert.
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Die
Startvorrichtung 10 hat einen Schalter 14, der
einen Elektromotor 12 startet und stoppt; eine Stromversorgungsschältung 20,
die einen von einer Übergabestromversorgung 13 zugeführten elektrischen Übergabestrom
gleichrichtet; eine Nulldurchgangs-Detektionsschaltung 22,
die. eine Referenzspannung mit einer Spannung des durch die Stromversorgungsschaltung 20 gleichgerichteten
elektrischen Stroms vergleicht; eine Triggertaktungsschaltung 24,
die eine Referenzspannung mit einer Spannung eines von der Nulldurchgangs-Detektionsschaltung 22 ausgegebenen
Signals vergleicht; eine Triggerschaltung 26 mit einem
Fotokoppler FC1, der als Foto-Triac-Koppler ausgebildet ist und
der sich auf der Grundlage des von der Triggertaktungsschaltung 24 ausgegebenen
Signal, einschaltet; und ein als Triac ausgebildetes Halbleitersteuerelement
Q1, in dessen Gate von der Triggerschaltung 26 ausgegebener elektrischer
Triggerstrom eingegeben wird, damit er leitend wird.
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Im
folgenden wird die Arbeitsweise der Startvorrichtung 10 erläutert.
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Schaltet
ein Benutzer des Elektrowerkzeugs den Schalter 14 ein,
wird der von der Übergabestromversorgung 13 zugeführte elektrische Übergabestrom über einen
Umleitungsweg 21 in der Stromversorgungsschaltung 20 umgeleitet.
Der elektrische Umleitungsstrom wird durch eine Diodenbrücke DB1 gleichgerichtet.
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 einer Vergleichsschaltung A1 der Nulldurchgangs-Detektionsschaltung
verwendet (siehe A1– in 2).
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Der
durch die Diodenbrücke
DB1 gleichgerichtete elektrische Strom wird einer Spannungsteilung
durch einen Widerstand R2 und einen Widerstand R3 unterzogen und
in die Vergleichsschaltung A1 eingegeben (siehe A1+ in 2).
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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 Zenerdiode D1
hat 10 V (0,2 W). In diesem Fall beträgt die maximale Spannung des
in die Vergleichsschaltung A1 eingegebenen Signals 4,8 V gemäß 2.
Die Referenzspannung der Vergleichsschaltung A1 beträgt 1,25
V.
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Danach
vergleicht die Vergleichsschaltung A1 die Referenzspannung mit einem
Eingangssignal (im folgenden als Signal A1+ bezeichnet) und detektiert
einen Zeitpunkt, an dem das Signal A1+ die Referenzspannung A1– übersteigt.
Wie in 2 durch die A1-Ausgabe gezeigt ist, gibt die Vergleichsschaltung
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.
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Gemäß A2– in 2 werden
die von der Vergleichsschaltung A1 ausgegebenen Impulssignale in Dreieckimpulssignale,
die ersten Impulssignalen entsprechen, durch einen Widerstand R8
und einen Kondensator C3 umgewandelt, und die Dreieckimpulssignale
werden in eine Vergleichsschaltung A2 eingegeben. Gemäß 2 werden
die von der Vergleichsschaltung A1 ausgegebenen Impulssignale in ein
sich im zeitlichen Verlauf allmählich
von 5 V auf 1,5 V verringerndes Signal durch eine Zeitkonstantenschaltung 25 umgewandelt,
die aus einem Elektrolytkondensator C2, einem Widerstand R10 und
einem Widerstand R11 besteht. Dieses Signal wird als Referenzspannung
A2+ in einer Vergleichsschaltung A2 verwendet.
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In
dieser Ausführungsform
haben die Widerstände
R8 bis R11 Werte von 1 MΩ,
1 MΩ, 220
kΩ bzw.
220 kΩ,
der Widerstand 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).
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Die
Vergleichsschaltung A2 vergleicht eine Spannung von Eingangsimpulssignalen
(im folgenden Signal A2– genannt)
mit der Referenzspannung und gibt zweiten Impulssignalen entsprechende Rechteckimpulse
aus, die tiefpeglig werden, sobald das Signal A2– die Referenzspannung übersteigt, und
hochpeglig werden, sobald das Signal A2 niedriger als die Referenzspannung
ist. Für
eine Periode der von dieser Vergleichsschaltung A2 ausgegebenen
Impulssignale erfolgt keine Synchronisation in der Periode des von
der Übergabestromversorgung 13 zugeführten elektrischen Übergabestroms,
was im Vergleich mit dem durch die Stromversorgungsschaltung 20 gleichgerichteten
Signal A1+ gemäß 2 verständlich wird,
und die tiefpeglig werdende Periode verkürzt sich allmählich. Die
von der Vergleichsschaltung 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 tiefpeglig werden.
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Durch
Einschalten des Transistors Q2 wird ein Kondensator C4 durch einen
von der Stromversorgungsschaltung 20 zugeführten elektrischen Strom
geladen. Der 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 Übergabestromversorgung 13 zugeführte Spannung
wird am Elektromotor 12 angelegt. Der Kondensator C4 wird
durch einen Widerstand R7 entladen.
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Bei
einer Taktung, in der die von der Vergleichsschaltung A2 ausgegebenen
Impulssignale gemäß 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.
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In
dieser Ausführungsform
haben die Widerstände
R12, R13 22 kΩ bzw.
220 Ω,
und der Widerstand R7 hat 2,2 kΩ.
Der Kondensator 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.
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Die
Taktung, in der sich der Foto-Triac-Koppler FC1 einschaltet, ist
mit der Taktung synchronisiert, in der die von der Vergleichsschaltung
A2 ausgegebenen Impulssignale tiefpeglig sind. Die Taktung, in der
sie tiefpeglig sind, hängt
von der Taktung ab, bei der sich das Signal A2– und das Signal A2+ kreuzen.
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Bei
konstant gehaltener Referenzspannung wird z. B. eine Periode, in
der die von der Vergleichsschaltung A2 ausgegebenen 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 Referenzspannung 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.
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Als
Beispiel dafür
dient der schraffierte Teil der Q1-Ausgabe in 3.
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4 zeigt
ein Zeitdiagramm von Eingangs- und Ausgangssignalen der Vergleichsschaltung
A2, wenn die Zeitkonstante der Zeitkonstantenschaltung 25 geändert ist
und die Steilheit der Referenzspannung A2+ flacher als die vorgenannte
Referenzspannung A2+ von 2 ist. Außerdem zeigt 5 ein Zeitdiagramm
des Ausgangssignals vom Foto-Triac-Koppler FC1 bzw. Triac Q1 für diesen
Fall.
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Ist
gemäß 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.
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Da
im Vergleich mit dem Fall, in dem die Steilheit der Referenzspannung
A2+ 2 entspricht, die Rate der mittleren Spannungszunahme der
am Elektromotor 12 durch den Triac Q1 angelegten Spannung
klein wird, steigt die Drehzahl des Elektromotors 12 allmählicher
als im Fall von 2.
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Da
gemäß der Erläuterung
das Triggersignal in der Startvorrichtung 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.
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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 sanften Starts auf etwa das
1,2fache begrenzt werden.
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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.
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Anders
ausgedrückt
läßt sich
die Art und Weise ändern,
wie der Elektromotor 12 startet.
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Beim
Einschalten des Transistors Q2 wird zudem der Kondensator C4 elektrisch
geladen. Im Experiment im Rahmen der Erfindung betrug die elektrische
Ladezeit etwa 0,1 ms. Dadurch 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 Vergleichsschaltung A2 ausgegebenen
Impulssignale angesteuert wird (bei seiner direkten Ansteuerung
ist die Einschaltzeit des Foto-Triac-Kopplers
FC1 gleich der Zeit, in der das von der Vergleichsschaltung 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.
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Zu
beachten ist, daß sich
die Art des Starts des Elektromotors 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 Eingangssignals A2- der Vergleichsschaltung
A2 zu ändern und
um so die Periode der von der Vergleichsschaltung A2 ausgegebenen
Impulssignale zu ändern.
In der vorgenannten Ausführungsform
wurde außerdem
ein Foto-Triac-Koppler als Fotokoppler verwendet, wobei jedoch auch
ein allgemeiner Fotokoppler unter Verwendung eines Transistors,
ein Fotokoppler mit Übergabeeingang,
ein Foto-Thyristor-Koppler oder eine LED-Cds-Zelle usw. zum Einsatz
kommen können.
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Ferner
entsprechen die Stromversorgungsschaltung 20, die Nulldurchgangs-Detektionsschaltung 22 und
die Triggertaktungsschaltung 24 einer Ausgangsschaltung
der Erfindung. Die Nulldurchgangs-Detektionsschaltung 22 kommt
einer ersten Impulssignal-Ausgangsschaltung gleich. Zudem entspricht
die Triggertaktungsschaltung 24 einer zweiten Impulssignal-Ausgangsschaltung.
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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 einstellen läßt.