DE2845437C2 - Schaltungsanordnung zum Steuern der Drehzahl eines einen Lüfter antreibenden Elektromotors - Google Patents

Description

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Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung nach dem Gattungsbegriff des Anspruchs 1.

Derartige, mit unterschiedlichen Drehzahlstufen antreibbare Lüfter finden beispielsweise im Bereich der Tieraufzucht Verwendung. Hier kommt es darauf an, die dem Alter und der Art der Tiere speziell angepaßten Lebensbedingungen möglichst kostengünstig zu gewährleisten. Dies geschieht durch Erzeugung eines zuträglichen Raumklimas in Abhängigkeit von der herrschenden Großwetterlage bei gleichzeitiger Abfüh* rung von schädlichen Gaskonzentrationen. Aus der DEOS 23 36177 ist eine Schaltungsanordnung der gattungsgemäßen Art bekannt, bei der ein Mehrfachste fenthermostat mit einem Ausdehnungsgefäß als Temperaturfühler vorgesehen ist, dem entsprechend den einzustellenden Temperaturstufen verschiedene Kontaktschalter zugeordnet sind, die dann die jeweilige Drehzahlstufe einschalten. Eine besonders kostengünstige Gesamtanlage ergibt sich dabei dann, wenn für den Lüfterantrieb ein Kondensatormotor zuzüglich eines Spartransformators vorgesehen wird. Der Spartransformator hat dann die verschiedenen Anzapfungen jeweils entsprechend der gewünschten Drehzahlstufen, welche Anzapfungen dann mit den Kontaktschaltern verbunden sind. Die Stufigkeit der Arbeitsweise ergibt sich dabei daraus, daß derartige sehr preisgünstige Kondensatormotoren für eine Phasenanschnittsteuerung nicht geeignet sind.

Nachteilig bei den vorbekannten Lüftersteuerungen ist, daß sie mit einer großen Ungenauigkeit arbeiten, in der Anlage also eine erheblich große Hysterese vorhanden ist, die bei bekannten Anlagen ca. 4° K beträgt, also eine derart beträchtliche Temperaturschwankung eintreten muß, bevor eine andere Drebzahlstufe geschaltet wird. Dies beruht einerseits darauf, daß die Ausdehnungsgefäße als Meßwertaufnehmer sehr geringe Weglängenänderungen pro festgestellter Temperaturdifferenz haben und hierin ein erheblicher Unsicherheitsfaktor liegt und daß andererseits die Einstellmöglichkeiten elektromechanischer Schaltkontakte begrenzt sind.

Mechanisch arbeitende Kontaktthermometer als Meßwertaufnehmer wurden zwar genau arbeiten, sind jedoch für den hier vorgesehenen Einsaizbereich viel zu teuer.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Steuereinrichtung für Lüfter zu schaffen, die unter Zugrundelegung stufiger Arbeitsweise bei denkbar geringen Herstellungskosten eine größtmögliche Temperaturkonstanz einhält also auf sehr kleine Temperaturänderungen bereits anspricht

Die erfindungsgemäße Lösung besteht darin, daß als Meßwertaufnehmer ein Heißleiter vorgesehen ist, der Ober ein Linearisierungsnetzwerk und einen Operationsverstärker, mehrere, geringe Eingangsfehlspannungen aufweisende, in Form integrierter Schattungen aufgebaute Komparatoren ansteuert die in einer Anzahl entsprechend der gewischten Stufenzahl vorgesehen sind und denen in ihrer Verbindung zu den die jeweiligen Drehzahlstufen einschaltenden Retais Ein-Aus-Schalter in Form digitaler integrierter Schaltungen nachgeordnet sind.

Die Steuereinrichtung ist somit in ihrem Wesen aus an sich bekannten elektronischen Bauteilen aufgebaut die heutzutage sehr preisgünstig im Handel zu erwerben sind. Die Steuereinrichtung läßt sich auf kleinem Raum kostengünstig verwirklichen. Die Gesamthysterese des Steuergerätes ergibt sich aus der Eingangsfehlspannung der Komparatoren sowie der Hysterese der nachgeschalteten Ein-Aus-Schalter, der sogenannten Schmitt-Trigger. Es sind dabei Komparatoren handelsüblich, die eine so geringe Eingangsfehlspannung haben, daß sich unter Berücksichtigung der Einstellung der Schmitt-Trigger bezüglich derjenigen Spannung, bei der sie schalten, eine Gesamthysterese der Steuereinrichtung von ±0,1° K erreichen läßt Dies bedeutet also, daß sich mit der erfindungsgemäßen Steuereinrichtung beispielsweise bei einer Temperaturdifferenz von 0,1⁰K bereits die entsprechende nächste Drehzahlstufe einschaltet, was im Endergebnis natürlich zu einer außerordentlichen Temperaturkonstanz führt Die stufige Arbeitsweise der Steuereinrichtung ermöglicht dabei weiterhin die Verwendung eines Kondensatormotors in Kombination mit einem Spartransformator als Antrieb für den Lüfter.

Weitere Ausgestaltungen des Erfindungsgegenstandes ergeben sich aus den Unteransprüchen. Besonders

hervorzuheben ist dabei «jie schaluechnische gegenseitige Verriegelung der einzelnen Drehzahlstufen gegeneinander dergestalt, daß die nächsthöhere Drehzahlstufe die nächstniedrigere bei ihrer Einschaltung automatisch abschaltet, wobei insbesondere auch über Zeitglieder eine verzögerte Relaiseinschaltting bei schneller Relaisabschaltung Kurzschlüsse verhindert. Hervorzuheben ist ferner das Verhindern von oszillierenden Schaltungen zwischen zwei benachbarten Stufen sowie ferner die besondere steuertechnische Anknüpfung einer Grundlast, dergestalt, daß bei Ausfall der elektronischen Steuerung der Lüfter in jedem Fall mit einer Grunddrehzahl weiter betrieben werden kann.

Ein Ausführungsbeispiel des Erfindungsgegenstandes wird nachstehend unter Bezugnahme auf das in der Zeichnung dargestellte Schaltschema näher beschrieben.

Mit der dargestellten Steuereinrichtung wird eine Lüfteranlage betrieben, deren Antrieb aus einem Kondensatormotor in Verbindung mit einem Spartransformator besteht, welcher Spartransformator im zugrunde gelegten Ausführungsbeispiel durch entsprechende Anzapfungen vier verschiedene Drehzahistufen vorsieht, die über die Steuereinrichtung durch Betätigung entsprechender Relais eingeschaltet werden können. An die Steuereinrichtung wird dabei an den durch Symbole gekennzeichneten Stellen eine stabilisierte Versorgungsspannung angelegt. Die Steuereinrichtung beinhaltet zunächst als Meßwertaufnehmer einen Heißleiter 1, der seinen inneren Widerstand in Abhängigkeit von der Temperaturänderung nach einer Exponentialfunktion ändert, wobei als Koeffizient der Exponentialfunktion unter anderem auch eine Materialkonstante eingeht, dergestalt, daß die Kurve unterschiedliche Steigungen hat Dem Heißleiter 1 ist daher ein Linearisierungsnetzwerk 2 nachgeschaltet, mit dem die Exponentialfunktion annähernd in eine Gerade überführt wird, wie sie für den weiteren Steuervorgang benötigt wird.

Die stabilisierte Versorgungsspannung, mit der der Heißleiter 1 beaufschlagt wird, muß gering sein, damit der Heißleiter sich nicht selbst aufheizt und hierdurch die Messung verfälscht wird. Die sich aus der Widerstandsänderung des Heißleiters ergebende Spannungsänderung ist also ebenfalls sehr klein. Aus diesem Grund ist ein Operationsverstärker 3 nachgeschaltet, der in Form einer integrierten Schaltung ausgebildet ist. Der Operationsverstärker 3 gibt an seinem Ausgang somit den Istwert ab, der eingangsseitig an vier Komparatoren 4a, Ab, Ac, 4c¹ zur Verfügung steht, mit denen die vier Drehzahlstufen ein- und ausgeschaltet werden können. Die Komparatoren Aa bis Ad sind in Form integrierter Schaltungen aufgebaut und haben eine geringe Eingangsfehlspannung, so daß eine nur geringe Spannungsdifferenz zwischen dem eingegebenen Istwert und einem Sollwert vonnöten ist, um ein Umschalten des Komparators an seinem Ausgang von beispielsweise der Ausgangsspannung Null auf eine Ausgangsspannung L hervorzurufen. Die geringe Eingangsfehlspannung der Komparatoren ergibt eine geringe Hysterese der Komparatoren.

Die den einzelnen Drehzahlstufen zugeordneten Sollspannungswerte, die eingangsseitig an den Komparatoren Aa bis 4c/zur Verfügung gestellt werden, werden an vier Präzisionspotentiometern 5 mit einer Linearität besser als 1% eingestellt, die ebenfalls mit der stabilisierten Versos'gungsspannung beaufschlagt werden

Komparatoren der genannten Art arbeiten im Bereich ihrer Eingangsfehlspannung, also im Bereich der Spannungsänderung, die in der Zeit bis zum Erreichen der Ausgangsspannung L durchlaufen wird, als starke Linearverstärker, Da dies zeitlich bei sehr genügen Temperaturänderungen sehr langsam gehen kann, man aber andererseits für die Einschaltung der einzelnen Drehzahlstufen einen exakten und genau definierten Schaltpunkt benötigt, sind den Komparatoren Aa bis Ad jeweils Schmitt-Trigger 6a bis 6t/ nachgeordnet. Es handelt sich hierbei um Ein-Aus-Schalter in Form digitaler integrierter Schaltungen, die ohne Eingangsfehlspannung arbeiten. Wählt man dabei die Ansprechspannung für die Ein-Aus-Schaltung der Schmitt-Trigger als etwa in der Hälfte der Spannungsdifferenz zwischen der Ausgangsspannung Null und der Ausgangsspannung L des betroffenen Komparators liegend, läßt sich hierdurch ohne weiteres beispielsweise eine Gesamthysterese der Steuereinrichtung, die sich aus der Eingangsfehlspannung der Komparatoren und der Hysterese der Schmitt-Trigger ergibt, von ±0,1°K erzielen dergestalt, daß bei einer Ten ^raturschwankung von 0,i"K bereits die entsprechende nächste Drehzahlstufe eingeschaltet wird.

Über die den einzelnen Schmitt-Triggern 6a bis 6t/ nachgeordneten Inverter 13, 14, 15, 16 werden die Schaltverstärker 17,18,19,20 angesteuert, die ihrerseits die Relais 21, 22, 23, 24 betätigen, mit denen die einzelnen Drehzahlstufen des Lüfters geschaltet werden. Dabei sind die einzelnen Schmitt-Trigger der verschiedenen Drehzahlstufen durch Diorisngruppen 7, 8, 9 derart gegeneinander verriegelt, daß immer nur einer der Schmitt-Trigger durchgesteuert ist, während dann die übrigen Schmitt-Trigger gesperrt sind. Der Schmitt-Trigger der nächsthöheren Stufe schaltet dabei den Schmitt-Trigger der nächstniedrigeren Stufe ab. Ferner sind in den Schaltverstärkern 17, 18, 19 und 20 über /?C-Glieder Zeitverzögerungen für die Einschaltphase der Relais 21, 22, 23 und 24 eingebaut, während über den entsprechenden Kondensator und einen Transistor die Ausschaltzeit der Relais kurz gehalten ist. Hierzu beinhalten die Schaltverstärker einen hochohmigen E;.igangswiderstand und einen Kondensator sowie einen Transistor. Der Kondensator kann sich über den Transistor sofort entladen. Die besonderen Vorteile bestehen darin, daß durch die Einschaltverzögerung der Relais und die schnelle Ausschaltung der Relais gewährleistet ist, daß eines der Relais erst dann tatsächlich einschaltet, wenn das andere Relais mit Sicherheit ausgeschaltet ist, so daß ein Kurzschluß mit Sicherheit vermieden ist. Ergibt die Raumtemperaturdifferenz somit beispielsweise, daß von der Drehzahlstufe, die über Relais 21 eingeschaltet ist, auf die nächsthöhere Drehzahlstufe überzugehen ist, spricht der Schiiitt-Trigger 6b an, schaltet über die Diodengruppe 7 den Schmitt-Trigger 6a aus und schaltet mit entsprechender Einschaltverzögerung das Relais 22 ein, welche Verzögerung ausreicht, sicherzustsllen, daß in jedem Fall das Relais 21 vorher abgeschaltet ist. Die schalttechnische Verknüpfung ist dabei so getroffen, daß der Schmitt-T. igger der jeweils höchsten in Betracht kommenden Spannungsstufe durchgesteuert ist, während die Schmitt-Trigger sämtlicher niedrigerer Spannungsstufen verriegelt sind.

Bei einer derartigen Steuereinrichtung, die eine derart kleine Hysterese hat und die auf derart kleine Spanniingsditferenzen anspricht, können kurzzeitige TemDeraturschwankungen oder kann schon das Ein-

schalten der nächsthöheren Stufe eine derartige Spannungsschwankung in der Versorgungsspannung hervorrufen, daß, wenn die Schmitt-Trigger zweier benachbarter Stufen sich in der Nähe ihrer die Schaltung hervorrufenden Schwellpunkte befinden, es -, zu einem oszillierenden Ein- und Ausschalten der Schmitt-Trigger der benachbarten Stufen kommt. Um das zu verhindern, sind zusätzlich zwischen den einzelnen Stufen nachschaltbare als integrierte Schaltungen ausgeführte monostabile Multivibratoren 10, 11 ι ο und 12 vorgesehen, die in einer gesonderten gegenseitigen Verriegelung der Stufen ein derartiges Oszillieren verhindern. Die Tatsache, daß die monostabilen Multivibratoren nachschaltbar sind, bewirkt, daß sie bei jedem neuen eingangsseitigen Spannungsimpuls wieder r, mit der vollen ihnen innewohnenden Zeitkonstante durchschalten, so daß es bei zweckentsprechender Auslegung der Zeitkonstanten über ein RC-G\\cd zur Verhinderung weiterer Impulse kommt und damit in Stufe mit der höchsten Spannung abgeschaltet, ergibt sich hier am Relais 24 der größte, am längsten anstehende Lichtbogen, der mit Sicherheit verschwunden sein muß, wenn das Relais 23 dann anspricht. Der Multivibrator 12 hält den Schmitt-Trigger 6c solange ausgeschaltet, bis das gewährleistet ist.

Der Lüfter läuft zweckmäßig in jedem Fall mit einer Grunddrehzahl entsprechend einer Grundlast, um in jedem Fall auch bei Ausfall der elektronischen Steuereinrichtung einen gewissen Lüftungseffekt sicherzustellen. Das die Grunddrehzahl schaltende Relais 29 ist bei laufender Grunddrehzahl geöffnet und bei Arbeiten eine der nachgeordneten Stufen geschlossen. Die Grunddrehzahl ist also über einen Ruhekontakt geschaltet. Die Schaltung erfolgt ausgehend von jeder der nachgeordneten Stufen. Dabei ist dafür Sorge getragen, daß das Relais 29 verzögert ausschaltet, die Grunddrehzahl also verzögert eingeschaltet wird, während das Relais 29 schnell einschaltet, die Grundlast

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tungen benachbarter Stufen verhindert ist. Dabei ist die eingestellte 2!eitkonstante der monostabilen Multivibratoren 10, 11 und 12 so gewählt, daß sich eine zusätzliche Zeitverzögerung ergibt, die größer ist als diejenige, die den Schaltverstärkern 17, 18, 19 und 20 bei der >-, Einschaltung der Relais innewohr.i. Dieses wird dann mit Vorteil ausgenutzt, wenn infolge entsprechender Temperaturänderungen die Steuereinrichtung sich von Stufe zu Stufe herunterschaltet. Wird dabei nämlich die Diodenverriegelung 25 votgesehen, die auf einen Schmitt-Trigger 26 arbeitet. Die Diodenverriegelung 25 mit dem Schmitt-Trigger 26 stellen das Verzögerungsglied dar, über das die Grunddrehzahl langsam eingeschaltet wird, wenn die erste Drehzahlstufe schnell abfällt. Das Ausschalten der Grunddrehzahl, d. h. das Schließen des Relais 29, geschieht schnell über eine der Dioden 27 und den Transistor 28.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (4)

Patentansprüche;

1. Schaltungsanordnung zum Steuern der Drehzahl eines einen Lüfter antreibenden Elektromotors, mit einem temperaturabhlngigen Meßwertaufnehmer, mit de"m entsprechend einstellbarer Temperaturstufen verschiedene abgestufte Drehzahlen einschaltbar sind, dadurch gekennzeichnet, daß als Meßwertaufnehmer ein Heißleiter (1) vorgesehen ist, der Ober ein Linearisierungsnetzwerk (2)- und einen Operationsverstärker (3), mehrere, eine geringe Eingangsfehlspannung aufweisende, in Form integrierter Schaltungen aufgebaute Komparatoren (4a bis \d) ansteuert, die in einer Anzahl entsprechend der gewünschten Stufen- -.5 zahl vorgesehen sind und denen in ihrer Verbindung zu den die jeweiligen Drehzahlstufen einschaltenden Relais (21 bis 24) Ein-Aus-Schalter (6a bis Sd) in Form digitaler integrierter Schaltungen nachgeordnet sind.

2. Steuereinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ein-Aus-Scha'ter (82 bis Sd) als Schmitt-Trigger ausgebildet sind und mittels Diodengruppen (7, 8, 9) derartig gegeneinander verriegelt sind, daß nur einer von ihnen, und zwar der der jeweils höheren Spannungsstufe, unter Ausschaltung der übrigen durchsteuert und daß vor den Relais (21 bis 24) Schaltverstärker (17 bis 20) angeordnet sind, die auf eine zeitverzögerte Relaiseinschaltung bei schneller Relaisausschaltung ausgelegt sind.

3. Steuereinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Verhinderung des Oszillierens benachbarter Schmitt-Trigger den Ein-Aus-Schalter (6a bis Sd) monoitabile Multivibratoren (10, U, 12) nachgeschaltet sind, deren Zeitverzögerung einen größeren Wert hat als die Zeitverzögerung für die Relaiseinschaltung der Schaltverstärker (17 bis 20).

4. Steuereinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Grundlast-Drehzahl des Lüfters über einen Ruhekontakt eines Relais (29) ein- und ausschaltbar ist, welches Relais (29) von jedem der Ein-Aus-Schalter (6a—Sd) über eine Verzögerungseinrichtung (25, 26) verzögert ausschaltbar, dabei aber schnell einschaltbar ist