DE102004026846A1 - Multivibratorschaltung zur Pulsweitenmodulation - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Multivibratorschaltung (1) mit einer eine erste Schaltzeit (11) bestimmenden Reihenschaltung von einem ersten Widerstand (R1) und einem ersten Kondensator (C1) und mit einer eine zweite Schaltzeit (t2) bestimmenden Reihenschaltung von einem zweiten Widerstand (R2) und einem zweiten Kondensator (C2), gekennzeichnet durch ein Potentiometer (P) mit einem Schleifer, wobei mittels des Schleifers ein erster Widerstansteilbereich (RP1) und ein zweiter Widerstandsteilbereich (RP2) des Potentiometers (P) ausgebildet werden und der erste Widerstand (R1) von dem ersten Widerstandsteilbereich (RP1) und der zweite Widerstand (R1) von dem zweiten Widerstandsteilbereich (RP2) gebildet sind. Ferner betrifft die Erfindung ein Elektrohandwerkzeug (20) mit einem Elektromotor (22) und mit einer die Leistungsabgabe an den Elektromotor (22) beeinflussenden Multivibratorschaltung (1), sowie die Verwendung einer Multivibratorschaltung (1) für die Erzeugung eines pulsweitenmodulierten Signals zur Ansteuerung eines Elektromotors eines Elektrohandwerkzeugs. Schließlich betrifft die Erfindung ein entsprechendes Verfahren zur variablen Einstellung einer ersten und einer zweiten Schaltzeit (t1, t2) einer Multivibratorschaltung (1).

Description

  • Die Erfindung betrifft einen Multivibrator mit einer eine erste Schaltzeit bestimmenden Reihenschaltung von einem ersten Widerstand und einem ersten Kondensator und mit einer eine zweite Schaltzeit bestimmenden Reihenschaltung von einem zweiten Widerstand und einem zweiten Kondensator. Ferner betrifft die Erfindung ein Elektrohandwerkzeug gemäß Anspruch 7, eine Verwendung einer Multivibratorschaltung gemäß Anspruch 8 und ein Verfahren zur variablen Einstellung einer ersten und einer zweiten Schaltzeit einer Multivibratorschaltung gemäß Anspruch 9.
  • Multivibratorschaltungen gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sind bekannt. Eine derartige Schaltung ist beispielsweise in dem Lehrbuch Halbleiter-Schaltungstechnik, U. Tietze und Ch. Schenk, 9. Auflage, Springer-Verlag Berlin, Kapitel 8.2.3, Seiten 173–174 bekannt. Für die Multivibratorschaltung ist charakteristisch, dass sie dauernd zwischen zwei Zuständen hin und her kippt, wenn sie einmal angestoßen wurde. Bei der bekannten Multivibratorschaltung ist es jedoch nachteilig, dass die Schaltzeiten mit der Dimensionierung der Schaltung festgelegt werden und nachträglich nicht verändert werden können.
  • Vorteile der Erfindung
  • Erfindungsgemäß wird in der Multivibratorschaltung ein Potentiometer mit einem Schleifer angeordnet, wobei mittels des Schleifers ein erster Widerstandsteilbereich und ein zweiter Widerstandsteilbereich des Potentiometers ausgebildet werden und der erste Widerstand von dem ersten Widerstandsteilbereich und der zweite Widerstand von dem zweiten Widerstandsteilbereich des Potentiometers gebildet sind. Mit der vorgeschlagenen Schaltung ist es nun möglich, die Schaltzeiten auch nach dem Aufbau der Schaltung und insbesondere während des Betriebs zu verändern.
  • Die erste Schaltzeit einer Multivibratorschaltung ergibt sich als t1 ≈ R1·C1·In2und die zweite Schaltzeit ergibt sich zu t2 ≈ R2·C2·In2wobei die Variablen den ersten Widerstand (R1), den ersten Kondensator (C1), den zweiten Widerstand (R2) und den zweiten Kondensator (C2) repräsentieren. Den Gleichungen ist zu entnehmen, dass -bei als im Wesentlichen als konstant angenommenen Kapazitätswerten der Kondensatoren- eine Erhöhung eines Widerstandswerts eine proportionale Änderung der jeweiligen Schaltzeit bewirkt. Das heißt, eine Reduzierung des Widerstands bewirkt eine Reduzierung der Schaltzeit und eine Erhöhung des Widerstands bewirkt eine Erhöhung der Schaltzeit. Die Schaltzeiten der Multivibratorschaltung lassen sich also auf einfache Weise verändern.
  • Aufgrund des Bauprinzips eines Potentiometers ergibt sich eine Abhängigkeit der Widerstandswerte des ersten Widerstandsteilbereichs und des zweiten Widerstandsteilbereichs, nämlich derart, dass eine durch eine Bewegung des Schleifers bewirkte Erhöhung des Widerstandswerts des ersten Widerstandsteilbereichs unmittelbar zu einer Reduzierung des Widerstandswerts des zweiten Widerstandsteilbereichs führt. Ebenso bewirkt eine Reduzierung des Widerstandswerts des ersten Widerstandsteilbereichs eine Erhöhung des Widerstandswerts des zweiten Widerstandsteilbereichs. Allgemein lässt sich festhalten, dass eine Widerstandsänderung des einen Widerstandsteilbereichs eine umgekehrt orientierte Widerstandsänderung des anderen Widerstandsteilbereichs bewirkt. Aus den bisherigen Ausführungen folgt somit, dass sich die Schleiferstellung des Potentiometers unmittelbar auf die Schaltzeiten t1 und t2 auswirkt, wobei eine Erhöhung der einen Schaltzeit zu einer Reduzierung der anderen Schaltzeit führt und umgekehrt. Damit lässt sich das Verhältnis zwischen erster und zweiter Schaltzeit (Tastverhältnis) einfach und schnell variieren, und es lässt sich bei entsprechenden Dimensionierung der Bauteile ein sehr großer Bereich einstellbarer Tastverhältnisse realisieren. Ferner lassen sich mittels geeignet gewählter Bauteildimensionierungen besondere Wirkungen der Multivibratorschaltung erzielen. So ist es beispielsweise möglich bei Verwendung eines linearen Potentiometers und zweier Kondensatoren mit gleichen Kapazitätswerten, dass die einzelnen Schaltzeiten variabel sind, die Summe der Schaltzeiten aber im Wesentlichen konstant bleibt.
  • Vorteilhafterweise weist der erste Widerstand einen dem ersten Widerstandsteilbereich in Reihe nachgeschalteten dritten Widerstand und/oder der zweite Widerstand einen dem zweiten Widerstandsteilbereich in Reihe nachgeschalteten vierten Widerstand auf. Damit kann dem ersten Widerstand und/oder dem zweiten Widerstand ein eigener, konstanter Widerstandsanteil hinzugefügt werden.
  • Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung weist der erste Widerstand und der zweite Widerstand einen dem Potentiometer in Reihe vorgeschalteten fünften Widerstand auf. Somit werden erster Widerstand als auch zweiter Widerstand gleichermaßen durch einen zusätzlichen Widerstandswert beeinflusst.
  • Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung weist die Multivibratorschaltung mindestens zwei Schaltelemente auf, deren Schaltzustände den Betriebszustand der Multivibratorschaltung bestimmen, wobei eine erste Querkopplungsleitung zwischen dem zweiten Widerstand und einem Steueranschluss eines ersten Schaltelements eine erste Diode und/oder eine zweite Querkopplungsleitung zwischen dem ersten Widerstand und einem Steueranschluss eines zweiten Schaltelements eine zweite Diode aufweist.
  • Es ist vorteilhaft, wenn das erste Schaltelement als erster Transistor und das zweite Schaltelement als zweiter Transistor ausgebildet ist und der jeweilige Steueranschluss die Basis des jeweiligen Transistors ist. Dadurch lässt sich die Schaltung besonders kostengünstig herstellen und kann aufgrund der zuvor genannten Dioden auch mit Spannungen von über 10 V betrieben werden.
  • Vorteilhafterweise ist der Multivibratorschaltung eine als Doppeltransistoranordnung ausgeführte, niederohmige Ausgangsstufe zugeordnet. Dadurch kann die vorgeschlagene Schaltung sehr kostengünstig für geringe Ströme und Spannungen ausgelegt werden, da lediglich ein niederenergetisches Signal bereitgestellt wird. Dieses Signal kann über die Ausgangsstufe beispielsweise an das Gate eines Leistungstransistors geführt werden, wobei eine höhere Leistung, wie sie beispielsweise zum Betrieb eines Elektromotors benötigt wird, dann lediglich über den Leistungstransistor geführt werden muss.
  • Die Erfindung betrifft ferner ein Elektrohandwerkzeug, insbesondere ein Akkumulator gespeistes Elektrohandwerkzeug mit einem Elektromotor. Dabei ist es bekannt, den Elektromotor mittels einer Pulsweitenmodulationsschaltung anzusteuern, um die Drehzahl oder das Drehmoment des Elektrohandwerkzeugs, beziehungsweise -allge mein gesprochen- die Leistungsabgabe an den Elektromotor, zu steuern oder zu regeln. Als Pulsweitenmodulationsschaltung werden üblicherweise Doppeloperationsverstärkerschaltungen oder Schaltungen mit einem Timer-Bauelement verwendet. Derartige Schaltungen sind jedoch verhältnismäßig teuer. Erfindungsgemäß wird die Leistungsabgabe an den Elektromotor mittels einer wie zuvor beschriebenen Multivibratorschaltung beeinflusst. Ein derartiges Elektrohandwerkzeug lässt sich preisgünstiger produzieren. Dabei ist es auch möglich, den Drehregler des Potentiometers mit einem dem Bediener des Elektrohandwerkzeugs zugänglichen Bedienelement direkt oder indirekt zu verbinden, sodass sich der vom Bediener mittels des Bedienelements eingestellte Betriebszustand des Werkzeugs in einfacher Weise auf die Multivibratorschaltung einwirkt.
  • Die Erfindung betrifft ferner die Verwendung einer Multivibratorschaltung, insbesondere einer zuvor genannten Multivibratorschaltung, für die Erzeugung eines pulsweitenmodulierten Signals zur Ansteuerung eines Elektromotors eines Elektrohandwerkzeugs. Da der Ausgang der Multivibratorschaltung zwei Pegel aufweist, die ihre Entsprechung in den zwei Pegeln eines pulsweitenmodulierten Rechtecksignals finden können und das Tastverhältnis zwischen den beiden Pegeln einstellbar ist, lässt sich die Multivibratorschaltung in vorteilhafter Weise zur Ansteuerung eines Elektromotors eines Elektrohandwerkzeugs nutzen. Grundsätzlich besteht dabei die Möglichkeit, die dem Elektromotor bereitgestellte Leistung direkt über die Multivibratorschaltung zuzuführen oder aber die Multivibratorschaltung als Signalgeber zu verwenden, der einen die Leistung zum Elektromotor führenden Leistungstransistor steuert. Aus praktischen Aspekten und Kostenaspekten ist üblicherweise der letztgenannten Alternative der Vorzug zu geben.
  • Schließlich betrifft die Erfindung ein Verfahren zur variablen Einstellung einer ersten und einer zweiten Schaltzeit einer Multivibratorschaltung, insbesondere einer zuvor beschriebenen Multivibrator schaltung, aufweisend eine die erste Schaltzeit bestimmende Reihenschaltung von einem ersten Widerstand und einem ersten Kondensator und eine die zweite Schaltzeit bestimmende Reihenschaltung von einem zweiten Widerstand und einem zweiten Kondensator, wobei der erste und der zweite Widerstand in Abhängigkeit vom gewünschten Betriebszustand variabel eingestellt werden und wobei eine Erhöhung des ersten oder des zweiten Widerstands unmittelbar eine Reduzierung des jeweils anderen Widerstands bewirkt und eine Reduzierung des ersten oder des zweiten Widerstands unmittelbar eine Erhöhung des jeweils anderen Widerstands bewirkt. Bei einem pulsweitenmodulierten Signal bleibt die Grundfrequenz auch bei Änderungen des Tastverhältnisses üblicherweise im Wesentlichen konstant. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird dies auf einfache Weise dadurch erzielt, dass bei einer Erhöhung des ersten oder des zweiten Widerstands, und damit der ersten oder zweiten Schaltzeit, unmittelbar eine Reduzierung des jeweils anderen Widerstands, und damit der jeweils anderen Schaltzeit, bewirkt wird. Bei einer entsprechenden Dimensionierung der die Parameter des Verfahrens bestimmenden Bauteile, wird also bewirkt, dass die Summe der Schaltzeiten -analog zur Grundfrequenz- bei einer Änderung des Tastverhältnisses im Wesentlichen konstant bleibt oder sich zumindest in einer definierten Bandbreite bewegt.
  • Zeichnungen
  • Die Erfindung wird nachfolgend in Ausführungsbeispielen anhand der zugehörigen Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
  • 1 eine Multivibratorschaltung, und
  • 2 ein Elektrohandwerkzeug.
  • Beschreibung der Ausführungsbeispiele
  • 1 zeigt eine Multivibratorschaltung 1, die folgende Grundelemente umfasst, deren funktionaler Zusammenhang aus dem Stand der Technik bekannt ist und nicht näher beschrieben werden soll: Erster Widerstand R1, zweiter Widerstand R2, erster Kondensator C1, zweiter Kondensator C2, erstes Schaltelement V1, hier ein Transistor T1, erstes Schaltelement V2, hier ein Transistor T2, erste Querkopplungsleitung 10, zweite Querkopplungsleitung 12 und die Widerstände R6 und R7. Wie in der Figur ersichtlich, ist die Multivibratorschaltung 1 an eine Versorgungsspannung VCC und an ein Massepotential GND angeschlossen.
  • Während bei einer bekannten Multivibratorschaltung der erste Widerstand R1 und der zweite Widerstand R2 in aller Regel als ein diskretes Bauelement ausgeführt sind, ergeben sich die genannten Widerstände hier als Kombination mehrerer Elemente, wobei durch den Schleifer des Potentiometers P ein erster Widerstandsteilbereich RP1 und ein zweiter Widerstandsteilbereich RP2 ausgebildet werden: R1 = 2·R5 + RP1 + R3 R2 = 2·R5 + RP2 + R4
  • Damit ergeben sich die Schaltzeiten zu t1 ≈(2·R5 + RP1 + R3)·C1·In2 t2 ≈(2·R5 + RP2 + R4)·C2·In2
  • Damit wird deutlich, dass die erste Schaltzeit t1 und die zweite Schaltzeit t2 von den durch die Schleiferstellung des Potentiometers P bewirkten Wert der Widerstandsteilbereiche RP1, RP2 abhängig sind. Die Widerstandsteilbereiche RP1, RP2 sind derart voneinander abhängig, dass eine Änderung des Werts eines Widerstandsteilbereichs RP1, RP2 eine umgekehrt orientierte Änderung des Widerstandswerts des anderen Widerstandsteilbereichs RP1, RP2 bewirkt.
  • Für die Schaltzeiten t1, t2 bedeutet dies, dass die Reduzierung der einen Schaltzeit t1, t2 zu einer Erhöhung der anderen Schaltzeit t1, t2 führt und umgekehrt.
  • Es sei darauf hingewiesen, dass die erste Querkopplungsleitung 10 eine erste Diode D1 und die zweite Querkopplungsleitung 12 eine zweite Diode D2 aufweisen. Dadurch kann die Multivibratorschaltung 1 auch mit Versorgungsspannungen VCC oberhalb von 10 V betrieben werden.
  • Bei der gezeigten Multivibratorschaltung 1 wird nicht unmittelbar die Kollektor-Emitter-Spannung des zweiten Transistors T2 abgegriffen. Vielmehr ist hier eine als Doppeltransistoranordnung 14 ausgeführte, niederohmige Ausgangsstufe 16 angeordnet, die einen npn-Transistor T3 und einen pnp-Transistor T4 aufweist, wobei diese Transistoren an ihren Emittern am Knoten 18 zusammengeschaltet sind. Vom Knoten 18 geht der Signalausgang OUT ab, der eine Weiterverarbeitung des von der Multivibratorschaltung 1 erzeugten Signals ermöglicht. Beispielsweise kann das Ausgangssignal an das Gate eines nicht dargestellten Leistungstransistors geleitet werden, wobei der Leistungstransistor in Reihe zu einem Elektromotor geschaltet ist, und so aufgrund des pulsweitenmodulierten Signals am Gate die Leistungsabgabe an den Elektromotor steuert. Je nach Dimensionierung der Bauteile, insbesondere der Widerstände R3, R4 und R5 lassen sich Tastverhältnisse zwischen 0 und 100 % einstellen. Es ist aber ebenso möglich, den Bereich der möglichen Tastverhältnisse gezielt einzuschränken, zum Beispiel auf einen Bereich zwischen 5 % und 40 %.
  • 2 zeigt ein Elektrohandwerkzeug 20 mit einem Elektromotor 22, der von einem Akkumulator 24 gespeist wird und eine Werkzeugspindel 26 antreibt. Die Leistungsabgabe an den Elektromotor 22 wird seitens des Bedieners mittels des Bedienelements 28 eingestellt. Über eine – nicht dargestellte – Zahnstange wird eine Betäti gung des Bedienelements 28 an einen Schleifer des Potentiometers P übertragen, sodass die Betätigung des Bedienelements 28 eine Veränderung der Schleiferstellung des Potentiometers P bewirkt. Mittels der Verbindungslinie 30 ist angedeutet, dass das Potentiometer P wie in der 1 gezeigt in eine Multivibratorschaltung 1 funktional integriert ist. Die Multivibratorschaltung 1 weist in diesem Ausführungsbeispiel zudem einen – nicht dargestellten – Leistungstransistor auf, der über ein von der Multivibratorschaltung 1 erzeugtes, pulsweitenmoduliertes Signal gesteuert wird und die Leistungsabgabe des Akkumulators 24 an den Elektromotor 22 steuert. Damit kann der Benutzer eine gewünschte Drehzahl beziehungsweise ein gewünschtes Drehmoment des Elektrohandwerkzeugs 20 einstellen.

Claims (9)

  1. Multivibratorschaltung (1) mit einer eine erste Schaltzeit (t1) bestimmenden Reihenschaltung von einem ersten Widerstand (R1) und einem ersten Kondensator (C1) und mit einer eine zweite Schaltzeit (t2) bestimmenden Reihenschaltung von einem zweiten Widerstand (R2) und einem zweiten Kondensator (C2), gekennzeichnet durch ein Potentiometer (P) mit einem Schleifer, wobei mittels des Schleifers ein erster Widerstandsteilbereich (RP1) und ein zweiter Widerstandsteilbereich (RP2) des Potentiometers (P) ausgebildet werden und der erste Widerstand (R1) von dem ersten Widerstandsteilbereich (RP1) und der zweite Widerstand (R2) von dem zweiten Widerstandsteilbereich (RP2) gebildet sind.
  2. Multivibratorschaltung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Widerstand (R1) einen dem ersten Widerstandsteilbereich (RP1) in Reihe nachgeschalteten dritten Widerstand (R3) und/oder der zweite Widerstand (R2) einen dem zweiten Widerstandsteilbereich (RP2) in Reihe nachgeschalteten vierten Widerstand (R4) aufweist.
  3. Multivibratorschaltung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Widerstand (R1) und der zweite Widerstand (R2) einen dem Potentiometer (P) in Reihe vorgeschalteten fünften Widerstand (R5) aufweisen.
  4. Multivibratorschaltung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Multivibratorschaltung (1) mindestens zwei Schaltelemente (V1, V2) aufweist, deren Schaltzustände den Betriebszustand der Multivibratorschaltung (1) bestimmen, wobei eine erste Querkopplungsleitung (10) zwischen dem zweiten Widerstand (R2) und einem Steueranschluss (S1) eines ersten Schaltelements (V1) eine erste Diode (D1) und/oder eine zweite Querkopplungsleitung (12) zwischen dem ersten Widerstand (R1) und einem Steueranschluss (S2) eines ersten Schaltelements (V2) eine zweite Diode (D2) aufweist.
  5. Multivibratorschaltung (1) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Schaltelement (V1) als erster Transistor (T1) und das zweite Schaltelement (V2) als zweiter Transistor (T2) ausgebildet ist und dass der jeweilige Steueranschluss (S1, S2) die Basis (B1, B2) des jeweiligen Transistors (T1, T2) ist.
  6. Multivibratorschaltung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Multivibratorschaltung (1) eine als Doppeltransistoranordnung (14) ausgeführte niederohmige Ausgangsstufe (16) zugeordnet ist.
  7. Elektrohandwerkzeug (20), insbesondere akkumulatorgespeistes Elektrohandwerkzeug, mit einem Elektromotor (22), gekennzeichnet durch eine die Leistungsabgabe an den Elektromotor (22) beeinflussende Multivibratorschaltung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
  8. Verwendung einer Multivibratorschaltung (1), insbesondere nach einem der Ansprüche 1 bis 6, für die Erzeugung eines pulsweitenmodulierten Signals zur Ansteuerung eines Elektromotors (22) eines Elektrohandwerkzeugs (20).
  9. Verfahren zur variablen Einstellung einer ersten und einer zweiten Schaltzeit (t1, t2) einer Multivibratorschaltung (1), insbesondere nach einem der Ansprüche 1 bis 6, aufweisend eine die erste Schaltzeit (t1) bestimmende Reihenschaltung von einem ersten Widerstand (R1) und einem ersten Kondensator (C1) und eine die zweite Schaltzeit (t2) bestimmende Reihenschaltung von einem zweiten Wider stand (R2) und einem zweiten Kondensator (C2), dadurch gekennzeichnet, dass der erste und der zweite Widerstand (R1, R2) in Abhängigkeit vom gewünschten Betriebszustand variabel eingestellt werden, wobei eine Erhöhung des ersten oder des zweiten Widerstands (R1, R2) unmittelbar eine Reduzierung des jeweils anderen Widerstands (R1, R2) bewirkt und eine Reduzierung des ersten oder des zweiten Widerstands (R1, R2) unmittelbar eine Erhöhung des jeweils anderen Widerstands (R1, R2) bewirkt.
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