DD253330A1 - Schaltungsanordnung zur drehzahlstellenden laststrombegrenzung eines gleichstrommikromotors - Google Patents

Abstract

Die erfindungsgemaesse Schaltungsanordnung betrifft die zusaetzliche Beschaltung eines nicht drehzahlgeregelten Gleichstrommikromotors und ist anwendbar auf Betriebsspannungsversorgungen, welche dem Mikromotor ueber alle Lastfaelle hinweg eine einzige relativ niedrige Betriebsspannung bereitstellen und ueber keinerlei Mittel zur Beeinflussung der Stromaufnahme des Motors verfuegen. Die technische Aufgabe der Erfindung besteht in der Ausbildung einer Stromuebernahmeschaltung, wobei der Strommesswiderstand einen sehr kleinen Widerstandswert aufweist. Erfindungsgemaess wird die Stromuebernahme durch die Verbindung einer weiteren zweiten Transistorstufe mit der ersten, den Strommesswiderstand enthaltenden Transistorstufe realisiert. Durch diese Loesung wird die unter allen Betriebslastbedingungen geforderte enge Drehzahltoleranz gewaehrleistet ohne die externe Betriebsspannungsversorgung des Gleichstrommikromotors zu ueberlasten. Fig. 3

Description

schaltet. Die Steuereingänge üblicher Komparatoren sind jedoch nicht bis in die unmittelbare Nähe der Betriebsspannungspotentiale betreibbar und erfordern stets einen deutlichen Potentialabstand, was einen relativ hohen Spannungsabfall über dem Strommeßwiderstand und damit einen wiederum hohen Widerstandswert erforderlich macht.

Ziel der Erfindung

Ziel der Erfindung ist es, die unerwünschten Auswirkungen des Strommeßwiderstandes auf die bekannte stromregelnde Transistorstufe möglichst gering zu halten und mit einer einzigen verhältnismäßig niedrigen Betriebsspannung auszukommen.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Die technische Aufgabe der Erfindung besteht in der Ausbildung einer Stromübernahmeschaltung, wobei der Strommeßwiderstand einen sehr kleinen Widerstandswert aufweist.

Erfindungsgemäß wird die Stromübernahme durch die Verbindung einer weiteren zweiten Transistorstufe mit der ersten Transistorstufe realisiert, und diese Lösung ist dadurch gekennzeichnet, daß die Basis eines zweiten Transistors über einen Widerstand mit dem Emitter des ersten Transistors und über einen weiteren Widerstand mit einem festen Potential verbunden ist, daß der Emitter des zweiten Transistors mit dem Minuspol der Betriebsspannung verbunden ist, daß der Kollektor des zweiten Transistors sowohl mit der Katode einer Diode als auch über einen weiteren Widerstand mit dem Pluspol der Betriebsspannung verbunden ist und daß die Anode der Diode an die Basis des ersten Transistors angeschlossen ist, wobei das feste Potential identisch mit der Betriebsspannung sein kann und der Emitterwiderstand einen Widerstandswert von höchstens 0,5Ohm aufweist.

Ausfuhrungsbeispiel

Als realer Wert des Beispiels steht dem zu betreibenden Gleichstrommikromotor M aus seiner Spannungsversorgung eine Betriebsspannung Ub von 5 Volt mit einer engen Toleranz von ±3% zur Verfügung, der Motor M kann einen Strom von maximal 600 mA entnehmen. Der Motor M besitzt zwischen Lastmoment und Stromaufnahme eine lineare Abhängigkeit und soll bezogen auf seine Nenndrehzahl von 4000 U/min eine Drehzahltoleranz von ±10% realisieren. Er wird im Start/-Stop-Betrieb betrieben. Er erreicht in kürzester Zeit seine Nenndrehzahl und realisiert die geforderte Drehzahltoleranz bei antriebsbedingten Lastschwankungen mit Sicherheit, in der Anlaufphase und bei Überlast jedoch überschreitet der Motor M die zulässige Stromobergrenze, und die Betriebsspannung bricht zusammen.

Als Gegenmaßnahme erfolgte bisher die im Stand der Technik angeführte Laststrombegrenzung unter Verwendung einer Transistorstufe mit Strommeßwiderstand, deren Wirkprinzip nachfolgend anhand der Figuren 1 und 2 beschrieben wird: In Serie mit dem TransistorT 1 und dem Emitterwiderstand R_E liegt der Motor M an der Betriebsspannung U_B, während die Basis des Transistors T1 über den Basiswiderstand R_B mit einer festen Führungsspannung Up verbunden ist. Diese an der Basis des Transistors T1 wirksame Spannung begrenzt den maximalen Motorstrom dadurch, daß mitzunehmendem Motorstrom der Spannungsabfall über dem Emitterwiderstand R_E zunimmt bis schließlich der für den Stromfluß erforderliche Basis-Emitterstrom des Transistors T1 unterschritten wird, und der Transistor T1 sperrt.

Fig. 2 zeigt die Abhängigkeit der am Motor M anliegenden Motorbetriebsspannung U_M vom Motorstrom Im: Alle Spannungsverluste, die durch Spannungsabfall über dem Emitterwiderstand R_E und durch die Kollektor-Emittersättigungsspannung desTransistorsTI hervorgerufen werden, reduzieren die am Motor M anliegende Motorbetriebsspannung Um. Bei zunehmendem Motorstrom Im sinkt der Übersteuerungsfaktor desTransistorsTI, wodurch die Kollektor-Emittersättigungsspannung desTransistorsTI steigt und damit die Motorbetriebsspannung Um nichtlinear kleiner wird; eine stabile Drehzahl in der o.g. Toleranz von ±10% ist durch die Anwendung dieses bekannten Wirkprinzips also nicht realisierbar.

Anhand der o.g. realen Werte des Ausführungsbeispieles wird nachstehend die erfindungsgemäße Lösung näher erläutert. Die Zeichnung zeigt in

Fig.3: die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung,

Fig.4: die gemäß dieser Schaltung auftretende Anhängigkeit der Motorbetriebsspannung Um vom Motorstrom I_M-Es hat sich herausgestellt, daß die Mangel des zuvor beschriebenen und in Fig. 1 und 2 dargestellten Wirkprinzips durch einen sehr niederohmigen Emitterwiderstand R_E in Verbindung mit einer zweiten Transistorstüfe behebbar sind. Der Widerstandswert des Emitterwiderstandes R_E soll 0,5Ohm nicht überschreiten. Die dann über dem Emitterwiderstand R_E abgegriffene Meßspannung von maximal 30OmV ist extrem niedrig und muß so weit angehoben werden, daß der Transistor T2 der zweiten Transistorstufe mit einer Basis-Emitterschleusenspannung von ca. 0,7 V steuerbar wird.

Entsprechend Fig. 3 ist der Gleichstrommikromotor M zwischen den Pluspol der Betriebsspannung U_Bund den Kollektor des Transistors T1 geschaltet. Der Emitter desTransistorsTI ist über einen als Stromsensor arbeitenden niederohmigen Emitterwiderstand R_E mit dem Minuspol der Betriebsspannung U_B verbunden. Über einen Basiswiderstand R1, der zwischen der Basis desTransistorsTI und dem Pluspol der Betriebsspannung U_B liegt, wird der Transistor T1 in den leitenden Zustand gesteuert. Der Spannungsabfall über dem Emitterwiderstand R_E, der je nach Größe des Emitterstromes und damit des Motorstromes I_M zwischen einigen Millivolt und höchstens 300 Millivolt schwankt, wird als Meßspannung für die Stromamplitude genutzt. Über einen Spannungsteiler mit den Widerständen R3 und R4, der zwischen dem Emitter des Transistors T1 und einer festen Führungsspannung Up geschaltet ist, wird ein Potential abgegriffen, welches beim Erreichen des vorgesehenen Maximalwertes l_Mmax des Motorstromes einen zweiten Transistor T2 in den leitenden Zustand steuert. Über eine Diode D wird der Basisstrom desTransistorsTI übernommen, und der Transistor T1 geht vom übersteuerten Zustand in den aktiven Steuerbereich über, ein weiteres Ansteigen des Stroms ist nicht mehr möglich. Beim unmittelbaren Erreichen der Basis-Emitterflußspannung des Transistors T2 gibt es bei kleinen Kollektorströmen noch keine lineare Beziehung zwischen der Änderung des Emitterpotentials von Transistor T1 und dem Kollektorstrom des Transistors T2. Erst wenn der Transistor T2

den Nennkollektorstrom übernommen hat, besteht eine lineare Abhängigkeit zwischen der Änderung des Emitterpotentials des Transistors T1 und der Änderung des Kollektorstroms des Transistors T2. Der Widerstand R 5 als Kollektorwiderstand des Transistors T2 bewirkt in Verbindung mit der Diode D, daß der Basisstrom des Transistors T1 erst übernommen wird, wenn der Kollektorstrom des Transistors T2 hinreichend groß ist und lineare Abhängigkeit zwischen der Emitterpotentialänderung des Transistors T1 und dem Kollektorstrom des Transistors T2 gegeben ist. Bei einer Dimensionierung R5<R1 führen bereits sehr kleine Emitterpotentialänderungen im Bereich der Strombegrenzung dazu, daß der Basisstrom des Transistors T1 in diesem Maße vom TransistorT2 übernommen wird und die Strombegrenzung für den Motor M durch einen in den aktiven Bereich gesteuerten Transistor T1 erfolgt.

Dadurch bleibt der Transistor T1 bis unmittelbar an die vorgegebene Grenze des maximalen Stromes voll durchgesteuert, und die Spannungsverluste für den Motor M beschränken sich im gesamten Strombereich unterhalb des maximalen Stromes ausschließlich auf den Spannungsabfall über dem Emitterwiderstand R_E und auf die Kollektor-Emittersättigungsspannung des Transistors T1.

In Fig.4 ist die Abhängigkeit der Motorbetriebsspannung U_M und die Abhängigkeit der Kollektorspannung Uc des TransistorsTI vom Strom entsprechend der Schaltungsanordnung nach Fig. 3 dargestellt: Es ist im direkten Vergleich zu Fig. 2 ersichtlich, daß die Motorbetriebsspannung U_M geringfügig und linear mit zunehmendem Strom l_c fällt und zwar im gleichen Maße, wie die Kollektorspannung Uc des TransistorsTI ansteigt, welche sich aus dem Spannungsabfall über dem Emitterwiderstand Rg und aus der Kollektor-Emittersättigungsspannung des TransistorsTI zusammensetzt.

Durch diese erfindungsgemäß erreichte Begrenzung der Spannungsverluste für die Motorbetriebsspannung UM im gesamten Arbeitsstrombereich des Motors M ist die Einhaltung der geforderten Drehzahltoleranz von ± 10% auf der Basis der o.g. realen Werte der Spannungsversorgung und des Motors M ermöglicht.

Claims (1)

1. Schaltungsanordnung zur drehzahlstellenden Laststrombegrenzung eines Gleichstrommikromotors mit einem ersten Transistor in Serie mit dem Emitterwiderstand und dem Minuspol der Betriebsspannung und mit dem Motor in Serie mit dem Transistor und dem Pluspol der Betriebsspannung und mit einer Verbindung der Basis des Transistors über einen Widerstand zum Pluspol der Betriebsspannung, dadurch gekennzeichnet, daß die Basis eines zweiten Transistors (T2) über einen Widerstand (R3) mit dem Emitter des ersten Transistors (T 1) und über einen weiteren" Widerstand (R4) mit einem festen Potential (Uf) verbunden ist, daß der Emitter des zweiten Transistors (T2) mit dem Minuspol der Betriebsspannung (U₆) verbunden ist, daß der Kollektor des zweiten Transistors (T2) sowohl mit der Katode einer Diode (D) als auch über einen weiteren Widerstand (R 5) mit dem Pluspol der Betriebsspannung (U₆) verbunden ist und daß die Anode der Diode (D) an die Basis des ersten Transistors (T 1) angeschlossen ist, wobei das feste Potential (U_F) identisch mit der Betriebsspannung (U₈) sein kann und der Emitterwiderstand (R_E) einen Widerstandswert von höchstens 0,5Ohm aufweist.

   Hierzu 1 Seite Zeichnungen

   Anwendungsgebiet der Erfindung

   Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung betrifft die zusätzliche Beschaltung eines nicht drehzahlgeregelten Gleichstrommikromotors und ist anwendbar auf Betriebsspannungsversorgungen, welche dem Mikromotor über alle Lastfälle hinweg eine einzige relativ niedrige Betriebsspannung bereitstellen und über keinerlei Mittel zur Beeinflussung der Stromaufnahme des Motors verfügen.

   Charakteristik des bekannten Standes der Technik

   Ausgewählte Antriebe enthalten derartige Motore, deren Betriebsdrehmoment im allgemeinen streng linear mit dem aufgenommenen Motorstrom anwächst und deren Drehzahlkonstanz demzufolge durch eine stabilisierte oder geregelte Betriebsspannung hergestellt werden muß. Im Anlauf oder bei Überlastung des Motors kann jedoch der Motorstrom den vielfachen Wert des Betriebsstromes für das maximale Betriebsdrehmoment erreichen, so daß die o.g. externe Betriebsspannungsversorgung zusammenbricht, weil sie lediglich für den normalen Betriebsfall des Motors zwischen Leerlauf und maximalem Betriebsdrehmoment bei zugehöriger Nenndrehzahl dimensioniert ist. Der Motor möchte also einen Strom aufnehmen, den er aufgrund der für niedrigere Belastungen dimensionierten Versorgungsspannung gar nicht ziehen kann. Abhilfe wurde bisher durch eine stromsensorgesteuerte Transistorstufe versucht, für ein stufenloses Steuerverhalten beispielsweise durch die AT-PS 289257. Ihr Wirkprinzip besteht im allgemeinen aus einem Transistor in Emitterschaltung, wobei der Motor mit einem als Stromsensor wirkenden Emitterwiderstand über den Transistor verbunden ist. Die Transistorbasis liegt an einer festen Bezugsspannung, und über den Emitterwiderstand zwischen Emitter und dem Potential der festen Basisbezugsspannung wird ein Maximalstrom für den Transistor eingestellt. Der maximale Kollektorstrom wird dann begrenzt, sobald die durch den Emitterstrom hervorgerufene, über dem Emitterwiderstand abfallende Spannung sich der Größe der an der Transistorbasis anliegenden Basisbezugsspannung annähert. Nachteilig hierbei ist, daß bereits bei Werten weit unterhalb des konzipierten Maximalstromes zwischen der anliegenden Kollektorspannung und dem Kollektorstrom eine Nichtlinearität auftritt, welche durch die nichtlinearen Parameter des Transistors beim Übergang in seinen Sperrzustand hervorgerufen wird. Mit zunehmendem Strom wird demzufolge der Motor an einer nichtlinear fallenden Betriebsspannung betrieben, was eine Einhaltung der gewünschten Drehzahlkonstanz ausschließt; Einzelheiten dieses gebräuchlichen Wirkprinzips sind in den nicht zur Erfindung gehörenden Figuren 1 und 2 der Zeichnung näher erläutert.

   Der Abbau der Nachteile dieses Wirkprinzips ist in einigen Varianten mit verschieden hohem Aufwand versucht worden. So ist es bekannt {IM DE-AS 2338215H02H9/02), einem Gleichstrommotor den Motorstrom aufzuprägen, den maximalen Motorstrom zu begrenzen und im Blockierungsfall sowohl den Motor als auch die Stromversorgung wirksam zu schützen. Kollektorseitig ist der Motor zwischen PLUS der Betriebsspannung und dem Transistor angeordnet, und der Emitter ist über den als Stromsensor wirkenden Widerstand mit MINUS der Betriebsspannung verbunden. Die über den Widerstand abgegriffene stromproportionale Spannung wird einem Verstärker zugeführt,' dessen Ausgang mit dem einen Eingang eines Vergleichsverstärkers verbunden ist, während der andere Eingang des Vergleichsverstärkers mit einer zusätzlichen einstellbaren Vergleichsspannung beaufschlagt ist. Der Ausgang dieses Vergleichsverstärkers steuert den Transistor im Stromkreis des Gleichstrommotors. Integrierte Verstärkerelemente üblicher Art können jedoch nur solche Eingangsgrößen verarbeiten, die zu den Betriebsspannungspegeln einen hinreichenden Pegelabstand besitzen und somit relativ große Widerstandswerte des Strommeßwiderstandes erfordern, was sich als Verschlechterung der Kennlinie Drehmoment/Betriebsspannung auswirkt. Andere kleinere Widerstandswerte des Strommeßwiderstandes sind nur bei einer besonderen Beschaltung des Vergleichsverstärkers zulässig (/1/:Spalte 3 Zeile 31 bis Spalte 4 Zeile 5).

   Es ist eine weitere Beschaltung eines Gleichstrommotors bekannt (111 DE-PS 31 40179 H 02 H 7/29), die sowohl zur Drehzahlkonstanthaltung als auch zur Motorstrom begrenzung im Anlauf oder bei Überlast ausgelegt ist. Auch hier ist der Motor in Reihe mit dem Strommeßwiderstand geschaltet. Über eine aus der Betriebsspannung gewonnene Vergleichsspannung und einen vom Strommeßwiderstand beaufschlagten Komparator ist derTransistor sperrbar, welcher die Stromzufuhrfür den Motor