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Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Drehzahlsteuerung
eines über mindestens einen gesteuerten Gleichrichter gespeisten Kommutatormotors
in Abhängigkeit von den von einem Sender zu einem Empfänger übertragenen elektromagnetischen
Wellen.
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Es ist eine Vorrichtung bekannt, welche einen Sender und einen Empfänger
elektromagnetischer Wellen aufweist und die im Rahmen einer Lagensteuerung die Drehzahl
eines über steuerbare Gleichrichter gespeisten Gleichstrommotors von Null auf eine
Betriebsdrehzahl und wieder auf Null steuert (USA: Patentschrift 2 429 771). Hierzu
ist die Verwendung eines besonderen drehbaren Abstimmelements in dem Sender erforderlich,
um die Frequenz seines Oszillators zu verändern.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einer Vorrichtung zur
Drehzahlsteuerung eines über mindestens einen gesteuerten Gleichrichter gespeisten
Kommutatormotors die Motordrehzahl stetig, also stufenlos, zu steuern, ohne daß
ein Bedienender ein drehbares Abstimmelement oder auch ein anderes Stellglied verändern
muß.
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Bei einer Vorrichtung der eingangs genannten Art ist die Erfindung
gekennzeichnet durch eine solche gegenseitige Anordnung des Senders und des Empfängers,
daß ein zwischen ihnen befindlicher Körperteil des Bedienenden durch seine Stellung
die gegenseitige Kopplung verändert, und durch eine Steuervorrichtung, die den Gleichrichter
in Abhängigkeit von der Kopplung so steuert, daß sich die Motordrehzahl dementsprechend
stetig ändert.
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Als zweckmäßige Ausgestaltung der Erfindung kann die Steuervorrichtung
für den Gleichrichter einen durch ein kopplungsabhängiges Signal gesteuerten Transistor
enthalten, der parallel zu einem Spannungsteiler-Teilwiderstand liegt, der zu einer
bekannten (vgl. die USA.-Patentschrift 2 939 064), den Gleichrichter und die Motorwicklungen
enthaltenden Brückenschaltung gehört.
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Der durch die Erfindung erzielte besondere Vorteil besteht darin,
daß der Bedienende selbst als ein Abstimmteil der Sende- und Empfangsanlage wirkt
und durch einfache Veränderung der Lage eines Körperteils in dieser Sende- und Empfangsanlage
eine proportionale Drehzahlsteuerung des Motors vermittelt.
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In der Zeichnung ist eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung
beispielsweise zur Darstellung gebracht.
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F i g. 1 zeigt die Anordnung der Teile einer Ausführungsform der Erfindung,
die zum Steuern der Drehzahl eines Nähmaschinenmotors verwendet werden; F i g. 2
zeigt eine Abänderung der in F i g. 1 dargestellten Ausführungsform; F i g. 3 ist
ein Schaltschema eines Senders für eine Vorrichtung nach F i g. 1 und 2; F i g.
4 ist ein Schaltschema eines Empfängers und einer Steuervorrichtung für die Ausführung
nach F i g. 1 und 2; F i g. 5 ist ein Schaltschema einer Ausführungsform der Erfindung,
welche ein Streufeld ausnutzt, das von mit dem Netz verbundenen Teilen ausgeht und
somit Netzfrequenz hat.
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Gemäß F i g. 1 sitzt eine Bedienungsperson 10
vor einer durch
einen Elektromotor 12 angetriebenen Nähmaschine 11. Der Motor 12 erhält elektrisehe
Energie über eine Leitung 13. Ein auf dem Fußboden angeordneter Sender 14 zum Erzeugen
elektromagnetischer Wellen hat eine feststehende Ausgangsplatte 15, auf der der
Fuß 16 der Bedienenden 10 gesetzt werden kann. Ein Empfänger 17
mit
einer Steuervorrichtung, der innerhalb des Nähmaschinengehäuses angeordnet ist,
hat eine Antenne 18, z. B. einen kurzen isolierten Draht, welcher außerhalb der
Nähmaschine 11 angeordnet ist und welcher mit dem Körper der Bedienenden
10 räumlich koppelbar ist. Der Hauptübertragungsweg elektromagnetischer Wellen
ist durch Pfeile schematisch dargestellt. Die Bedienende 10 kann durch Bewegen
des Fußes 16 gegen die und weg von der feststehenden Platte 15 die Größe der übertragenen
elektromagnetischen Energie steuern, um dadurch die Drehzahl des Motors 12 zu steuern,
wie nachstehend ersichtlich sein wird.
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Eine andere Ausführungsform, die den gleichen Sender 14 und den gleichen
Empfänger 17 mit Steuervorrichtung wie vorher verwendet, ist in F i g. 2 dargestellt.
Bei dieser Ausführungsform hält die Bedienende 10 ihren Fuß 16 auf der Platte 15
und bewegt ihr Knie 19 gegen die und weg von der Antenne 18, die eine Platte oder
eine Leitung sein kann, die mit dem Empfänger 17 verbunden ist, um eine Steuerung
der Drehzahl des Motors 12 vorzunehmen.
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Der Aufbau des Senders 14 ist in F i g. 3 dargestellt und weist einen
durch ein Kristall gesteuerten Transistor-Oszillator 21 auf, der vorzugsweise eine
Trägerfrequenz von etwa 27 255 Megahertz erzeugt. Ein phasenschiebender Transistor-Oszillator
22 wird zwecks Tonmodulation der Trägerwelle mit Tonfrequenz verwendet. Dieser Oszillator
22 erzeugt eine Modulationsfrequenz im Bereich von etwa 1000 Hertz. Die Ausgangsendstufe
23 ist ein Hochfrequenz-Verstärkermodulator mit einem basisseitig geerdeten Transistor.
Der Basisstromkreis befindet sich wegen des Nebenschlußkondensators 24 für die Trägerfrequenz
auf Erdpotential, jedoch wird seine Vorspannung durch die Tonfrequenz über einen
Kopplungskondensator 25 moduliert. Die prozentuale Modulation wird durch die Einstellung
eines Potentiometers 26 gewählt. Eine 9-Volt-Batterie 27 liefert über einen Schalter
28 die gesamte Eingangsenergie für den Sender. Wenn der Schalter 28 geschlossen
ist, wird an der Ausgangsplatte 15 eine Spannung mit einer Frequenz von 27 255 Megahertz
erzeugt, die mit einer Tonfrequenz amplitudenmoduliert ist. Da die maximale Gleichspannung
9 Volt beträgt, ist keinerlei Gefahr bei einer Berührung der Platte 15 vorhanden.
Der Abstimmstromkreis in der Ausgangsendstufe 23, der einen Kondensator 29, eine
Induktivität 30 und die Platte 15 enthält, ist auf Resonanz abgestimmt, wenn die
Bedienende 10 sich in der Nähstellung befindet, wobei ihr Fuß 16 auf der
Platte 15 ruht. Der Kopplungsgrad zu dem Abstimmstromkreis wird durch Verändern
des Abstandes des Fußes 16 von der Platte 15 verändert.
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Der Aufbau des Empfängers 17 ist in F i g. 4 dargestellt. Er weist
eine Hochfrequenz-Transistor-Verstärkerstufe 31, eine Dioden-Detektorstufe 32, eine
Transistor-Tonfrequenz-Verstärkerstufe 33, eine Isolier-Transistor-Verstärkerstufe
34, eine Transistor-Steuerstufe 35 und eine die Motordrehzahl steuernde Gleichrichterstufe
36 mit einem gesteuerten Halbleiter 40 auf. Eine 9-Volt-Batterie
37 liefert über den
Schalter 38 Eingangsenergie für den Empfänger.
Diese könnte auch über einen Gleichrichter aus der Wechselstrom-Zuleitung 13 erhalten
werden.
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Das Trägersignal wird an der Antenne 18 aufgenommen, die über die
Bedienende 10 mit dem Sender 14 gekoppelt ist. Das modulierte Trägersignal wird
in der Hochfrequenzstufe 31 verstärkt und an die Detektorstufe 32 angelegt, wo das
Trägersignal herausgenommen und das Tonfrequenzmodulationssignal wiedergewonnen
und in der Verstärkerstufe 33 verstärkt wird. Dieser Verstärker 33 hat eine verhältnismäßig
scharfe Selektivität, um zu verhindern, daß eine andere Trägerfrequenz mit 27 255
Megahertz, die andere Modulationsfrequenzen hat, ein Signal zum Steuern des Motors
12 übermittelt. Falls beispielsweise eine Gruppe gleicher Nähmaschinen sehr nahe
aneinandergesetzt ist, könnte ein Sender zwei oder drei Maschinen beeinflussen.
Um dies zu vermeiden, können die Maschinen dadurch kodiert werden, daß sie jeweils
verschiedene Modulationsfrequenzen haben, wobei der Sender und der Empfänger in
jedem Fall eine zueinander passende, jedoch abweichende Modulationsfrequenz haben.
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Von der Verstärkerstufe 33 wird das Modulationssignal mit der Isolationsverstärkerstufe
34 kapazitiv gekoppelt, die einen Ausgangstransformator 39 speist. Diese Isolation
erfolgt zu dem Zweck, die gesteuerte Gleichrichterstufe 36 von dem Empfängerabschnitt
zu entkoppeln, um zu verhindern, daß Geräusche von dem Motor 12 und der Gleichrichterstufe
36 den Empfänger beeinflussen.
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Die einzelnen Stromkreise des Senders und des Empfängers sind mit
Transistoren in üblicher Weise ausgerüstet. Das Signal, welches an der Sekundärseite
des Transformators 39 erscheint, ist die Modulationsfrequenz der Trägerfrequenz,
und sie variiert in ihrer Amplitude in Übereinstimmung mit der Kopplung, die durch
die Bedienende 10 selektiv geschaffen worden ist, indem sie ihren Fuß oder
ihr Knie bewegt, wie oben in Verbindung mit F i g. 1 und 2 beschrieben wurde.
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Nachstehend wird ein Stromkreis beschrieben, durch den das Signal
mit sich verändernder Amplitude, welches durch den oben beschriebenen Sender und
Empfänger geliefert wird, in eine Veränderung der Drehzahl des Motors 12 umgewandelt
wird.
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Die die Motordrehzahl steuernde Gleichrichterstufe 36 hat in bekannter
Weise (vgl. die USA.-Patentschrift 2 939 064) einen gesteuerten Halbleiter
40
mit Anode 41, Kathode 42 und einer Steuerelektrode 43, um den dem
Motor 12 aus einer nicht dargestellten, über eine Leitung 13 angeschlossene
Wechselstromquelle zugeführten Strom zu steuern. Die Feldwicklung 44 und die Ankerwicklung
45 des Motors 12 sind mit dem Anoden-Kathoden-Stromkreis des Halbleiters 40 in Reihe
an die Stromquelle geschaltet. Weiterhin ist an die Stromquelle ein Spannungsteiler
geschaltet, der einen Widerstand 46, einen Widerstand 47 und einen einstellbaren
Widerstand 48 aufweist. Die Steuerelektrode 43 ist über eine aus einer Diode
49, einem Stellwiderstand 50, dem Widerstand 47 und der Ankerwicklung
45 bestehende Reihenschaltung mit der Kathode 42 verbunden. Die Diode 49 hat eine
solche Polarität, daß nur eine positive Spannung an die Steuerelektrode 43 angelegt
werden kann. Ein Widerstand 51 und ein Kondensator 52 sind zu dem Steuerelektroden-Kathoden-Stromkreis
im Nebenschluß geschaltet, um die Empfmdlichkeit gegen Kommutierungsspannungen zu
verringern und so ein falsches Zünden des Halbleiters 40 zu verhindern.
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Im Betrieb ist die Spannung am Widerstand 47 größer als die drehzahlabhängige
Ankerspannung. Der Halbleiter 40 wird deshalb gezündet. Die Drehzahl ist
von der Größe des Widerstandes 48 abhängig, die durch einen Schieber 53 eingestellt
wird. Es könnte deshalb eine über den ganzen Bereich gehende Drehzahlsteuerung dadurch
bewirkt werden, daß der Schieber 53 entsprechend bewegt wird. Jedoch ist dies gemäß
der Erfindung nicht beabsichtigt.
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Wie in F i g. 4 dargestellt, ist in der Gleichrichterstufe 36 ein
PNP-Transistor 35 so an den Transformator 39 angeschlossen, daß dessen Wechselstromsignal
zwischen der Basis 54 und dem Emitter 55
liegt. Der Emitter
55 und der Kollektor 56 sind so angeschlossen, daß sie zum Widerstand
48 im Nebenschluß liegen. Über die Leitung 13 wird dem Widerstand 48 eine Wechselspannung
zugeführt und damit auch zwischen Emitter 55 und Kollektor 56 des Transistors 35
gelegt. Da nun der Halbleiter 40 nur in jeder Halbperiode leiten kann, während
der seine Anode 41 positiv ist, ist der Emitter 55 des Transistors 35 mit der gleichen
Seite der Leitung 13 wie die Anode 41 verbunden, während der Kollektor 56 mit der
anderen Seite der Leitung 13 verbunden ist.
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Zum Verständnis der Arbeitsweise der Gleichrichterstufe 36 sei zunächst
davon ausgegangen, daß ein Gleichspannungssignal zwischen dem Emitter 55 und der
Basis 54 mit negativem Potential an der Basis angelegt ist. Die Größe dieses Signals
steuert die Spannungsverteilung an den Widerständen 46, 47, 48 in folgender Weise.
Bei Gleichspannung Null ist die Kollektor-Emitter-Impedanz hoch, und die Gesamtimpedanz
(Kollektor-Emitter-Strecke mit parallel geschaltetem Widerstand 48) ist derart,
daß die Spannung am Widerstand 47 den Halbleiter 40 nicht durchlässig machen kann.
Wenn die Größe des Gleichspannungssignals zunimmt, vermindert sich die Impedanz
zwischen Kollektor 56 und Emitter 55, wodurch die Spannung am Widerstand 47 höher
wird und sich durch Zünden des Halbleiters 40 eine proportionale Drehzahlsteuerung
ergibt. Wenn das Gleichspannungssignal ein Maximum ist, ist der Transistor 35 vollständig
leitend, und seine Kollektor-Emitter-Impedanz ist ein Minimum. Die Spannung am Widerstand
47 befindet sich auf ihrem Maximum, und der Motor 12 läuft mit maximaler Drehzahl.
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Nachstehend wird das Arbeiten mit Wechselspannungssignalen beschrieben,
die zwischen Emitter 55 und Basis 54 des Transistors 35 angelegt werden.
Es brauchen nur die Halbwellen betrachtet zu werden, während welcher die Basis 54
negativ ist, weil während der Wechselspannungshalbwellen, wenn die Basis 54 positiv
ist, der Transistor 35 lediglich voll gesperrt ist. Falls die Wechselspannungssignalfrequenz
sich in der Größenordnung von 1000 Hertz oder höher befindet, braucht das Wechselspannungssignal
nicht mit der Netzfrequenz der über die Leitung 13 zugeführten Spannung synchronisiert
zu werden. Da dann etwa 20 negative Halbwellen dei Signalspannung auf jede Netzspannungshalbwelle
entfallen, kann eine gute proportionale Drehzahlsteuerung bei sich vergrößernder
Amplitude der Signalspannung erhalten werden. Falls jedoch die
Signalfrequenz
erheblich kleiner als 1000 Hertz ist, insbesondere wenn die Signalfrequenz gleich
der Netzfrequenz ist, sollte der Beginn der negativen Halbwellen der Signalspannung
mit dem Beginn der positiven Halbwellen der Netzspannung in Phase gebracht werden.
Das bedeutet, daß die Phasenbeziehung zwischen der zwischen Basis 54 und Emitter
55 angelegten Signalspannung und dem zwischen Emitter 55 und Kollektor 56 angelegten
Teil der Netzspannung derart sein muß, daß sie einen Emitter-Kollektor-Strom erzeugt,
wenn die Anode 41
mit Bezug auf die Kathode 42 des gesteuerten Halbleiters
40 positiv ist. Falls dies zu aufwendig ist, kann das Eingangssignal gleichgerichtet
und als Gleichspannungssignal verwendet werden.
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In F i g. 5 ist eine Vorrichtung dargestellt, die das Netzfrequenzstreufeld
ausnutzt, das von der Leitung 13 und anderen Netzspannung aufnehmenden Teilen, die
dabei als Sender wirken, durch den Körper der Bedienenden 10 aufgenommen und kopplungsabhängig
mittels einer plattenförmigen Antenne 18 über ein 50-Ohm-Koaxialkabel 58 einem in
dem Nähmaschinengehäuse angeordneten Transistor-Tonfrequenzverstärker zugeführt
wird. Bei Bieder Vorrichtung kommen etwa zwei Drittel der Aufbauteile der in F i
g. 1 bis 4 dargestellten Vorrichtungen in Fortfall, und es braucht keine Hochfrequenz
erzeugt zu werden.
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Wie aus F i g. 5 ersichtlich, wird das von der Antenne 18 aufgenommene
Netzfrequenzsignal der Basis 60 eines Transistors 61 zugeführt, der mit der Basis
62 eines zweiten Transistors 63 direkt gekoppelt ist. Dieser zweite Transistor 63
ist an einen Ausgangstransistor 64 angeschlossen. Gemäß F i g. 5 werden der gleiche
Steuertransistor 35 in der gleichen Gleichrichterstufe 36 wie in F i g. 4 benutzt,
doch ist statt des Transformators 39 eine galvanische Kopplung verwendet. Die 9-Volt-Batterie
37 liefert Energie für den Verstärker 59; diese kann jedoch auch durch Gleichrichtung
der über die Leitung 13 zugeführten Wechselspannung gewonnen werden.
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Die Arbeitsweise der in F i g. 5 dargestellten Vorrichtung ist die
gleiche, wie oben in Verbindung mit F i g. 4 beschrieben wurde. Da das Steuersignal
Netzfrequenz hat, ist dessen Phasenlage zur Netzspannung, wie oben ausgeführt, wichtig.