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Schaltungsanordnung zur Drehzahlregelung von batteriegespeisten Motoren
Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur Drehzahlregelung von batteriegespeisten Motoren, bei welcher in den Motorstromkreis die Emitter-Kollektorstrecke eines ersten Transistors geschaltet ist, wobei dessen Basis über einen mit dem ersten Transistor gleichstromgekoppelten zweiten Transistor die von der Motorspannung und/oder dem Motorstrom abgeleitete Regelgrösse zugeführt wird. Solche Schaltungsanordnungen dienen dazu, auch bei sich ändernder Batteriespannung zu gewährleisten, dass der Motor mit konstanter Drehzahl läuft. Dies ist bei Speisung eines Motors von einer Batterie besonders wichtig, da ja Batterien im Laufe ihrer Betriebszeit ihre Spannung relativ stark ändern. Je grössere Änderungen ausgeregelt werden können, umso länger ist dann eine Batterie verwendbar.
Vielfach wird eine konstante Drehzahl auch bei einer Änderung der Batteriespannung bis zu 500/0 im Laufe ihrer Betriebszeit gewünscht. Eine derartige, wie die eingangs erwähnte Schaltungsanordnung ist z. B. aus der brit. Patentschrift Nr. 957699 bekannt. Bei dieser bekannten Schaltung wird dem in den Motorstromkreis eingeschalteten ersten Transistor der Basisstrom über einen Kollektor-Basis-Widerstand und die Regelgrösse der Basis über einen zweiten, mit dem ersten gleichstromgekoppelten Transistor vom gleichen Leitfähigkeitstyp wie der erste zugeführt. Die Gewinnung der Regelgrösse erfolgt z. B. durch eine Brückenschaltung, welche parallel zum Motor gelegt ist und in deren einen Diagonalzweig die Basis-Emitterstrecke des zweiten Transistors gelegt ist, wobei in einem Brückenzweig, z.
B. mittels einerHalbleiterdiode, eine konstante Vergleichsspannung erzeugt wird, so dass eine von der Motorspannung abhängige Regelgrösse entsteht. Durch Einfügung eines vom Motorstrom durchflossenen Widerstandes in die Brückenschaltung kann die Regelgrösse auch vom Motorstrom abhängig gemacht werden. Die Erzeugung der Regelgrösse selbst hat jedoch auf den Gegenstand der Erfindung keinen Einfluss und kann auf die verschiedenste Weise erfolgen.
Bei der im vorstehenden erwähnten bekannten Schaltungsanordnung hat sichherausgestellt, dass durch denKollektor-Basis-Widerstand des ersten im Motorstromkreis liegenden Transistors die Spannungsschwankungen der die Schaltungsanordnung speisenden Batterie sich auf die Regelschaltung ungünstig auswirken.
Man ist daher bei einer solchen Schaltung gezwungen, zwischen der Batterie und der eigentlichen Regelschaltung eine eigene Spannungsstabilisierungsstufe vorzusehen. Eine andere Möglichkeit, um diese Schwierigkeiten zu vermeiden, wurde darin gefunden, die Basis des im Motorstromkreis liegenden Transistors von einem weiteren Transistor ebenfalls vom gleichen Leitfähigkeitstyp wie die beiden andern zu speisen. Diese Schaltungsanordnungen sind daher relativ kompliziert und aufwendig.
Im Stammpatent Nr. 249180 wurde zur Vermeidung obgenannter Schwierigkeiten vorgeschlagen, dass die beiden gleichstromgekoppelten Transistoren in an sich bekannter Weise vom entgegengesetztenLeitungstyp sind, wobei der Basisstrom des in den Motorstromkreis eingeschalteten ersten Transistors durch den Kollektorstrom des zweiten Transistors geliefert wird, und dass der Kollektor des in den Motorstromkreis eingeschalteten ersten Transistors, gegebenenfalls über einen Widerstand zur Erzeugung einer vom Motorstrom abgeleiteten Regelgrösse, mit einer der Motoranschlussklemmen verbunden ist.
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Da derartige gleichstromgekoppelte Transistorstufen relativ stark temperaturabhängig sind, sind besondere Massnahmen erforderlich, um unerwünschte Temperatureinflüsse auszugleichen. Aber auch die von einer solchen Schaltung gesteuerten Motoren sind in ihren Eigenschaften von der Temperatur abhängig, so dass eine Temperaturkompensation vorteilhafterweise auch diese Einflüsse ausgleichen soll. Um dies zu erzielen, sind die bekannten Anordnungen zur Temperaturkompensation, die Widerstände mit negativen Temperaturkoeffizienten oder Halbleiterdioden im Basis-Emitterkreis eines Transistors verwenden, nicht mehr geeignet, insbesondere dann, wenn die Temperaturabhängigkeit sehr stark ist.
Um diese Schwierigkeiten zu beseitigen, wird erfindungsgemäss vorgeschlagen, dass zur Kompensation des Einflusses der Temperatur auf den Strom durch den zweiten Transistor im Basis-Emitterkreis dieses Transistors ein weiterer Transistor mit seiner Emitter-Kollektorstrecke eingeschaltet ist, wobei die Basis des weiteren Transistors über Widerstände einerseits mit dem Kollektor und anderseits mit dem Emitter verbunden ist. Durch diese Massnahmen ist jeder beliebige Temperaturgang der Schaltungsanordnung, auch eine Überkompensation erzielbar. Bestimmend für die Grösse des Temperaturkoeffizienten sind hiebei die Widerstandsverbindungen der Basis des weiteren Transistors mit seinem Emitter und Kollektor in Verbindung mit der diesem Transistor eigenen Temperaturabhängigkeit.
Vorteilhafterweise wird die Widerstandsverbindung zwischen Basis und Emitter des weiteren Transistors in Form eines Spannungsteilers, z. B. eines Potentiometers, ausgebildet, dessen Abgriff über einen weiteren Widerstand zur Einstellung der Basis-Emitterspannung an die Speisespannung angeschlossen ist. Dadurch ist die Basis-Emitterspannung des Stabilisierungstransistors zusätzlich einstellbar und damit auch die Kollektor-Emitterspannung. Auf diese Weise ist die Grösse derjenigen Spannung, welche den durch die Widerstandsverbindungen von der Basis zum Emitter bzw. Kollektor gewählten Temperaturkoeffizienten aufweist, festlegbar.
Vorteilhafterweise wird die Emitter-Kollektorstrecke des weiteren Transistors auch als Bezugsspannungsquelle in eine an sich bekannte Brückenschaltung zum Stabilisieren der Drehzahl des Motors bei Änderungen der Speisespannung gelegt. Dieser weitere Transistor dient hiemit sowohl zur Temperaturstabilisierung der Schaltungsanordnung als auch in Verbindung mit der Brückenschaltung zur Spannungsstabilisierung der gesamten Anordnung.
Die Erfindung wird im folgenden an Hand der Zeichnungen, in welchen zwei Ausführungsbeispieledargestellt sind, näher erläutert ; die Erfindung ist jedoch nicht auf diese Beispiele beschränkt. In den Zeichnungen zeigen Fig. 1 eine Anordnung mit einer einfachen Widerstandsverbindung zwischen Basis und Emitter sowie Basis und Kollektor des Stabilisierungstransistors, während Fig. 2 teilweise schematisiert eine Schaltung zeigt, bei der die Basis-Emitterspannung und damit auch die Emitter-Kollektorspannung des Stabilisierungstransistors zusätzlich noch einstellbar ist.
In Fig. 1 ist mit 1 der Gleichstrommotor bezeichnet, welcher von der Batterie 2 gespeist wird.
In den Motorstromkreis ist ein erster Transistor 3, u. zw. hier ein pnp-Transistor eingeschaltet, welcher zur Einregelung der Motorspannung auf einen konstanten Wert dient. Ist die Motorspannung konstant, so ist auch die Drehzahl des Motors konstant. Die Regelgrösse muss daher von der Spannung am Motor abgeleitet werden, wozu eine Brückenschaltung, bestehend aus den Widerständen 4,5, 6 und einem Netzwerk 7, letzteres zur Erzeugung einer Bezugsspannung, die auch den erforderlichen Temperaturkoeffizienten zum Ausgleich des Temperatureinflusses auf die gesamte Anordnung aufweist, parallel zum Motor geschaltet ist. In den Diagonalzweig der Brücke ist ein zweiter Transistor 8 mit seiner Basis-Emitterstrecke eingeschaltet, wobei dieser Transistor 8 vom entgegengesetzten Leitungstyp wie der Transistor 3, somit vom npn-Typ gewählt ist.
Dieser Transistor 8 liefert nun dadurch, dass sein Kollektor mit der Basis des Transistors 3 verbunden ist, den die Regelgrösse bildenden Basisstrom für letztgenannten Transistor, dessen Kollektor seinerseits, gegebenenfalls über einen zur Ausregelung von Lastschwankungen dienenden, dem Betrag nach kleinen, Widerstand 9 mit einer Motoranschlussklemme verbunden ist.
Das Netzwerk 7 zur Temperaturstabilisierung besteht nun aus einem weiteren Transistor 10, dessen Basis über einen Widerstand 11 mit dem Emitter und über einen weiteren Widerstand 12 mit dem Kollektor verbunden ist. Dieses Netzwerk hat die Eigenschaft, dass die Emitter-Kollektorspannung ein mit dem Spannungsverhältnis der Widerstände 11 und 12 vermehrtes Vielfaches der Basis-Emitterspannung ist. Da nun die Basis-Emitterspannung einen bestimmten durch das verwendete Halbleitermaterial des Transistors bedingten Temperaturkoeffizienten, der für Germanium-Transistoren in der Grössenordnung von 2 mV/ C liegt, aufweist, überträgt sich derselbe ebenfalls mit dem Spannungsteilerverhältnis der Widerstände 11 und 12 vervielfacht auf die Emitter-Kollektorspannung.
Hiedurch ist durch entsprechende Wahl der Widerstände 11 und 12 jeder gewünschte Temperaturkoeffizient der Emitter-
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Kollektorspannung, welcher grösser oder höchstens gleich demjenigen der Basis-Emitterstrecke selbst ist, wählbar.
Diese Emitter-Kollektorspannung wird nun weiters als Bezugsspannung zur Erzeugung der Regelgrösse in bezug auf Spannungsschwankungen herangezogen. Hiebei wird der Effekt ausgenutzt, dass die Emitter-
Kollektorstrecke des Transistors 10, da an ihr, wie erwähnt, ein Vielfaches der Basis-Emitterspannung liegt, sich entsprechend der Basis-Emitterstrecke verhält und somit den Charakter einer Diode besitzt.
Eine derartige Diodencharakteristik kann nun, wie bekannt, zurErzeugung einer konstanten Bezugsspan- nung verwendet werden. Hiezu ist das Netzwerk 7 in die erwähnte Brückenschaltung als ein Brücken- zweig aufgenommen. Die andern Brückenzweige werden durch die Widerstände 4,5 und 6 gebildet.
In denDiagonalzweigderBrücke, derzwischendenVerbindungspunkten der Brückenzweig 4,5 und 6, 7 liegt, und an welchen die Regelgrösse auftritt, ist nun der Transistor 8 mit seiner Basis-Emitterstrecke eingeschaltet, welcher seinerseits den im Motorstromkreis liegenden Transistor 3 steuert.
Die Wirkungsweise der Schaltung ist nun wie folgt. Über der Emitter-Kollektorstrecke des Transi- stors 10 liegt, praktisch unabhängig von der jeweiligen Spannung am Motor, eine konstante, als Be- zugsspannung dienende Spannung. Die Spannung am Verbindungspunkt der Widerstände 4 und 5 ändert sich hingegen proportional mit der Motorspannung. Somit stellt die Spannung am Diagonalzweig der Brücke ein Mass für die jeweilige Abweichung der Motorspannung von ihrem Sollwert dar und wird als Regelgrösse der Basis-Emitterstrecke des Transistors 8 zugeführt. Dieser Transistor 8 verstärkt die Regelgrösse und führt sie dadurch, dass sein Kollektor mit der Basis des komplementären Transistors 3 verbunden ist, diesem unmittelbar zu.
Ist die Spannung der Batterie 2 grösser als die Motorspannung, so wird über die Regelgrösse der Transistor 3 so weit gesperrt, dass sich über dem Motor gerade die Nennspannung aufbaut. Je mehr sich die Batteriespannung der Motorspannung nähert, umso mehr wird der Transistor 3 geöffnet, so lange, bis er schliesslich vollständig leitend ist, wodurch das Ende des Regelbereiches erreicht ist. Ist aber der Transistor 3 vollständig leitend, so steht über seiner Kollektor-Emitterstrecke nur eine sehr kleine Spannung, die sogenannte, einige Zehntel-Volt betragende, Kniespannung. Unter Vernachlässigung des Widerstandes 9, welcher immer sehr klein gewählt wird, kann daher die Batteriespannung praktisch bis auf die Summe aus der Motorspannung und der Kniespannung des Transistors 3 absinken, ohne dass sich die Drehzahl des Motors ändert.
Somit ist ersichtlich, dass mit dieser Schaltungsanordnung mit einfachsten Mitteln sehr grosse Regelbereiche bis nahezu an die Motorspannung heran erzielbar sind und die Batterie daher sehr gut ausgenutzt wird.
Der Widerstand 9 dient, wie erwähnt, zum Ausgleich von Lastschwankungen am Motor. Ändert sich nämlich die Motorlast, so ändert sich auch dessen, den Widerstand 9 durchfliessender Strom. Da die Spannung über dem Widerstand 9 auch in der Brückendiagonale wirksam ist, ist sie ebenfalls ein Bestandteil der Regelgrösse.
Die Temperaturstabilisierung erfolgt nun in der Weise, dass, wie bereits erwähnt, die Emitter-Kollektorspannung des Transistors 10 einen Temperaturkoeffizienten entsprechend den gewählten Widerständen 11 und 12 besitzt. Da diese Emitter-Kollektorspannung unmittelbar in der B rückendiagonale zur Wirkung gelangt, wird bei steigender Temperatur der Emitter des npn-Transistors 8 gegenüber seiner Basis weniger negativ, so dass dem Stromanstieg sowohl in diesem Transistor 8 als auch im Transistor 3 entgegengewirkt wird. Der Temperaturkoeffizient kann jetzt aber auch so gewählt werden, dass er nicht nur den Temperatureinfluss der Regelschaltung, sondern auch den vom Motor selbst ausgleicht.
Um den Motor bei steigender Temperatur auf konstanter Drehzahl zu halten, ist nämlich ebenfalls erforderlich, den ihn durchfliessenden Strom herabzusetzen. Dies geschieht dann einfach durch eine Überkompensation des Temperatureinflusses der Regelschaltung.
In Fig. 2 ist eine Variante der erfindungsgemässen Schaltungsanordnung von Fig. 1 dargestellt, u. zw. lediglich das Netzwerk 7, der weitere Brückenzweig 6, der Widerstand 9 und der Motor 1. Bei dieser Ausführungsform ist die Widerstandsverbindung zwischen Basis und Emitter des Stabilisierungstransistors 10 in Form eines Spannungsteilers lla und llb ausgebildet, an dessen Abgriff 13 ein weiterer Widerstand 14 angeschlossen ist, welcher mit der Speisespannung verbunden ist. Durch die Grösse dieses Widerstandes 14 ist nun die Basis-Emitterspannung des Transistors 10 unabhängig von den Widerständen lla, llb und 12 einstellbar.
Da, wie erwähnt, die Emitter-Kollektorspannung ein Vielfaches der Basis-Emitterspannung ist, ist sie auf diesem Wege einstellbar, u. zw. ohne dass der bereits durch die Widerstände lla, 11b und 12 gewählte Temperaturkoeffizient nochmals beeinflusst wird. Diese Schaltung eignet sich daher für Anordnungen, bei welchen die Bezugsspannung für die Erzeugung der die Spannungsschwankungen ausgleichenden Regelgrösse einstellbar sein soll. Die Widerstände lla und llb
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können dann z. B. durch ein Potentiometer gebildet werden, an dessen Schleifer der Widerstand 14 angeschlossen ist.
Selbstverständlich muss das Netzwerk 7 zur Temperaturstabilisierung nicht immer gleichzeitig auch als Bezugsspannungsquelle zur Erzeugung der die Spannungsschwankungen ausgleichenden Regelgrösse dienen, Hiezu kann z. B., wie bekannt, in den Brückenzweig eine Halbleiterdiode eingeschaltet werden. Das Netzwerk 7 zur Temperaturstabilisierung wird dann an anderer Stelle im Basis-Emitterkreis des Transistors 8 angeordnet. Anderseits kann zusätzlich zum Netzwerk 7 ausserdem noch eine Diode zur Erzeugung der Bezugsspannung verwendet werden, wobei dann das Netzwerk 7 und die Diode in einander diagonal gegenüberliegenden B rückenzweigen angeordnet werden. Natürlich kann auch an Stelle des Transistors 10. welcher als pnp-Transistor angenommen wurde, ein npn-Transistor vorgesehen werden.
Für den Fachmann sind natürlich noch eine Reihe von Varianten möglich, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen. Auch kann es bei einer derartigen Schaltungsanordnung zweckmässig sein, einzelne der Brückenwiderstände einstellbar auszubilden. Es kann auch unterumständen vorteilhaft sein, den Kollektorstrom des Transistors 8 dem Betrag nach grösser als den Basisstrom des Transistors 3 zu wählen, wozu es dann lediglich erforderlich ist, vom Kollektor des Transistors 8 einen entsprechenden Widerstand zum Emitter des Transistors 3 zu schalten, wodurch die Funktion der Schaltung an sich in keiner Weise beeinflusst wird. Vielfach ist es auch erwünscht, den Ladezustand der Batterie anzuzeigen. In einfacher Weise kann dies z. B. dadurch erfolgen, dass parallel zum Transistor 3 ein Lämpchen 10 geschaltet wird.
Weiters kann dem Motor unabhängig von der Regelschaltung ein Gleichstrom zugeführt werden, wodurch das Anlaufen erleichtert bzw. gewährleistet wird.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Schaltungsanordnung zur Drehzahlregelung von batteriegespeisten Motoren, bei welcher in den Motorstromkreis die Emitter-Kollektorstrecke eines ersten Transistors geschaltet ist, dessen Basis über einen mit dem ersten Transistor gleichstromgekoppelten zweiten Transistor die von der Motorspannung und/oder dem Motorstrom abgeleitete Regelgrösse zugeführt wird, wobei die beiden gleichstromgekoppelten Transistoren vom entgegengesetzten Leitungstyp sind, und der Basisstrom des in den Motorstromkreis eingeschalteten ersten Transistors durch den Kollektorstrom des zweiten Transistors geliefert wird und der Kollektor des in den Motorstromkreis eingeschalteten ersten Transistors gegebenenfalls über einen Widerstand zur Erzeugung einer vom Motorstrom abgeleiteten Regelgrösse mit einer der Motoranschlussklemmen verbunden ist,
nach Patent Nr. 249180, dadurch gekennzeichnet, dass zurKompensationdes Einflusses der Temperatur auf den Strom durch den zweiten Transistor, im Basis-Emitterkreis dieses Transistors ein weiterer Transistor mit seiner Emitter-Kollektorstrecke eingeschaltet ist, wobei die Basis des weiteren Transistors über Widerstände einerseits mit seinem Kollektor und anderseits mit seinem Emitter verbunden ist.
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