-
GEBIET DER ERFINDUNG
-
Diese Erfindung betrifft eine Stromversorgungsschaltung insbesondere für einen Elektromotor und mehr im Besonderen eine Stromversorgungsschaltung mit einer Vollbrückenschaltung.
-
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
-
1 zeigt eine herkömmliche Stromversorgungsschaltung für einen bürstenlosen Gleichstrommotor M. Die Stromversorgungsschaltung weist eine Vollbrückenschaltung mit einem ersten Schaltkreis 11 und einem zweiten Schaltkreis 12 auf. Der Motor ist in dem transversalen Zweig der Vollbrückenschaltung angeordnet. Vier Schalter K1~K4 der Brückenschaltung werden von vier Signalen SN1~SN4 gesteuert, um leitend oder blockierend zu sein. Der Term blockieren bezieht sich auf den Schalter, der in einem geöffneten oder nichtleitenden Zustand ist.
-
Wenn die Schalter K1, K4 leitend sind und die Schalter K2, K3 blockierend sind, läuft der Strom durch den Motor in einer Richtung von einem Knotenpunkt a1 zu einem Knotenpunkt a2. Wenn die Schalter K2, K3 leitend sind und die Schalter K1, K4 blockierend sind, läuft der Strom durch den Motor in einer Richtung von dem Knotenpunkt a2 zu dem Knotenpunkt a1. Durch Steuern der zwei Paare von Schaltern K1, K4 und K2, K3 derart, dass sie alternierend leitend sind, wird der Motor mit einem alternierenden Strom versorgt, der den Motor antreibt, um ihn kontinuierlich in eine bestimmte Richtung zu drehen.
-
Bei einigen unterschiedlichen von Motoren angetriebenen Anwendungen, wie beispielsweise zwei unterschiedlichen Ventilatoren, deren gekrümmte Schaufeln in entgegen gesetzte Richtungen gebogen sind, ist es erforderlich, dass sich die Motoren in beide Richtungen drehen. Es ist gewünscht, eine gleiche Stromversorgungsschaltung für die unterschiedlichen Anwendungen mit minimalen Modifikationen zu verwenden.
-
DARSTELLUNG DER ERFINDUNG
-
Dementsprechend schafft die vorliegende Erfindung eine Stromversorgungsschaltung, die einen ersten Schaltkreis, einen zweiten Schaltkreis, eine Steuerung und zwei Anschlüsse zum Verbinden eines Motors umfasst. Jeder der zwei Schaltkreise umfasst einen ersten Schalter und einen zweiten Schalter. Der erste Schalter des ersten Schaltkreis und der zweite Schalter des zweiten Schaltkreises bilden ein erstes Paar von Schaltern. Der zweite Schalter des ersten Schaltkreises und der erste Schalter des zweiten Schaltkreises bilden ein zweites Paar von Schaltern. Jeder der Schalter hat einen Eingangsanschluss, einen Ausgangsanschluss und einen Steueranschluss zum Empfangen eines Signals zum Steuern des Schalters, um leitend oder blockierend zu sein. Bei jedem der Schaltkreise ist der Ausgangsanschluss seines ersten Schalters mit dem Eingangsanschluss seines zweiten Schalters verbunden, wobei der Eingangsanschluss seines ersten Schalters mit einer höheren Spannung verbunden ist und wobei der Ausgangsanschluss seines zweiten Schalters mit einer niedrigeren Spannung verbunden ist. Die zwei Anschlüsse zum Verbinden des Motors sind jeweils mit den Eingangsanschlüssen der zweiten Schalter der zwei Schaltkreise verbunden. Die Steuerung ist zum Steuern des ersten Paares von Schaltern und des zweiten Paares von Schaltern derart angepasst, dass sie alternierend leitend sind, und umfasst einen Signaleingangsanschluss zum Empfangen eines Schaltersteuerungssignals und einen Phaseninverter zum Invertieren der Phase des Schaltersteuersignals. Die Steuerung umfasst weiter eine Verdrahtungsplatte, die ein erstes bis viertes Lötpad, einen ersten Leiter und einen zweiten Leiter hat, wobei jeder der Leiter zwei Enden hat. Das erste Lötpad ist mit dem Signaleingangsanschluss verbunden, das zweite Lötpad ist mit einem Ausgangsanschluss des Phaseninverters verbunden, das dritte Lötpad ist mit dem Steueranschluss des zweiten Schalters des ersten Schaltkreises verbunden und das vierte Lötpad ist mit dem Steueranschluss des zweiten Schalters des zweiten Schaltkreises verbunden. Die beiden Enden des ersten Leiters sind mit dem ersten Lötpad und dem vierten Lötpad verbunden und die beiden Enden des zweiten Leiters sind mit dem zweiten Lötpad und dem dritten Lötpad verbunden; oder die zwei Enden des ersten Leiters sind mit dem ersten Lötpad und dem dritten Lötpad verbunden und die zwei Enden des zweiten Leiters sind mit dem zweiten Lötpad und dem vierten Lötpad verbunden.
-
Vorzugsweise umfasst die Steuerung weiter eine erste Verzögerungseinheit und eine zweite Verzögerungseinheit, die angepasst sind zum jeweiligen und unabhängigen Verzögern der Leitung der zweiten Schalter der zwei Schaltkreise.
-
Vorzugsweise umfasst die Steuerung weiter eine erste Verzögerungseinheit, die zwischen dem dritten Lötpad und dem Steueranschluss des zweiten Schalters des ersten Schaltkreises geschaltet ist, und eine zweite Verzögerungseinheit, die zwischen dem vierten Lötpad und dem Steueranschluss des zweiten Schalters des zweiten Schaltkreises geschaltet ist.
-
Vorzugsweise umfasst die Steuerung weiter eine erste Isoliereinheit, die zwischen dem Signaleingangsanschluss und dem Phaseninverter geschaltet ist, und eine zweite Isoliereinheit, die zwischen dem Signaleingangsanschluss und dem ersten Lötpad geschaltet ist.
-
Vorzugsweise ist der erste Schalter des zumindest einen der zwei Schaltkreise ausgebildet, um dem leitenden Zustand des zweiten Schalters des anderen der zwei Schaltkreise zu folgen.
-
Vorzugsweise ist der Steueranschluss des ersten Schalters des einen der zwei Schaltkreise mit dem Eingangsanschluss des zweiten Schalters des anderen der zwei Schaltkreise über einen Strombegrenzer verbunden.
-
Vorzugsweise umfasst die Steuerung weiter eine Spannungsverringerungseinheit, die zwischen der ersten Isoliereinheit und dem Phaseninverter geschaltet ist.
-
Vorzugsweise hat jede der Isoliereinheiten einen Hochimpedanz-Operationsverstärker, einen optischen Transistor oder ein elektronisches Bauteil mit einem P–N Übergang.
-
Vorzugsweise ist jede der Verzögerungseinheiten eine Widerstand-Kondensator-Schaltung, wobei ein Kondensator davon ein Streukondensator in dem entsprechenden zweiten Schalter ist.
-
Vorzugsweise umfasst die Stromversorgungsschaltung weiter einen Sensor zum Detektieren der Position eines Läufers des Motors, bei dem ein Ausgangsanschluss mit dem Signaleingangsanschluss verbunden ist.
-
Die Stromversorgungsschaltung in der vorliegenden Erfindung kann für unterschiedliche Anwendungen, wo die Richtung der Drehung des Motors notwendigerweise unterschiedlich sein muss, einfach durch Verbinden der zwei Leiter der vier Lötpads auf unterschiedliche Weise angewandt werden. Deshalb hat die Stromversorgungsschaltung eine gute Kompatibilität. Des Weiteren ist die Schaltung kompakt, da nur wenige elektronische Bauteile benötigt werden, und die Kosten der Schaltung sind gering.
-
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
-
Bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung werden nun lediglich beispielhaft mit Bezug zu den Figuren der begleitenden Zeichnungen beschrieben. In den Figuren werden identische Anordnungen, Bauteile oder Teile, die in mehr als einer Figur erscheinen, allgemein mit einem selben Bezugszeichen in allen Figuren, in denen sie erscheinen, bezeichnet. Abmessungen der in den Figuren gezeigten Komponenten und Bauteile werden allgemein hinsichtlich der Übersichtlichkeit und Klarheit der Darstellung ausgewählt und sind nicht notwendigerweise maßstabsgetreu. Die Figuren sind unten aufgelistet.
-
1 ist eine Stromversorgungsschaltung aus dem Stand der Technik für einen Elektromotor;
-
2 ist eine erste Verbindungsart einer Stromversorgungsschaltung gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
-
3 ist eine zweite Verbindungsart der Stromversorgungsschaltung gemäß der bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; und
-
4 ist ein Graph, der Totzeiten der Stromversorgungsschaltung aus 2 zeigt.
-
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
-
2 zeigt eine erste Verbindungsart einer Stromversorgungsschaltung 20 gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Die Stromversorgungsschaltung 20 ist insbesondere zum Antreiben eines bürstenlosen Gleichstrommotors M geeignet, der einen Permanentläufer und einen Ständer mit Ständerwicklungen hat. Die Stromversorgungsschaltung 20 weist einen ersten Schaltkreis 21, einen zweiten Schaltkreis 22 und eine Steuerung 23 auf.
-
Der erste Schaltkreis 21 hat zwei Schalter K1, K2 und der zweite Schaltkreis 22 hat zwei Schalter K3, K4. Jeder der Schalter K1~K4 hat einen Eingangsanschluss, einen Ausgangsanschluss und einen Steueranschluss zum Empfangen eines Signals zum derartigen Steuern des Schalters, dass dieser leitend oder blockierend ist. In der Ausführungsform sind die Schalter K1, K3 PNP-Transistoren und die Schalter K2, K4 sind N-Kanal MOSFETs. Die Quellen O2, O4 der Schalter K2, K4 funktionieren als Ausgangsanschlüsse und sind geerdet. Die Steuerelektronen C2, C4 der Schalter K2, K4 funktionieren als Steueranschlüsse. Die Emitter I1, I3 der Schalter K1, K3 funktionieren als Eingangsanschlüsse und sind mit einer Gleichstromspannung Vdd verbunden. Die Basen C1, C3 der Schalter K1, K3 funktionieren als Steueranschlüsse und sind über Strombegrenzer R1, R2 mit den Abflüssen I4, I2 der Schalter K4, K2 verbunden, die als Eingangsanschlüsse wirken. Die Kollektoren O1, O3 der Schalter K1, K3 wirken als Ausgangsanschlüsse und sind mit den Einganganschlüssen I2, I4 der Schalter K2, K4 verbunden. Es sollte verstanden werden, dass die Schalter K1~K4 nicht auf die obige Konfiguration begrenzt sind und dass sie alternativ andere Typen sein können, wie beispielsweise Bipolar-Transistoren mit isolierter Gate-Elektrode (IGBT) und Gate Turn-Off Thyristoren (GTO).
-
Die Ständerwicklung des bürstenlosen Gleichstrommotors M ist zwischen zwei Anschlüsse T1, T2 geschaltet, die mit den Eingangsanschlüssen I2, I4 der Schalter K2, K4 verbunden sind. Vorzugsweise hat die Stromversorgungsschaltung 20 einen Sensor 24 zum Detektieren der Position des Permanentläufers des Motors M. Der Sensor 24 kann ein Hall-Sensor, ein optischer Decoder oder Ähnliches sein.
-
Die Steuerung 23 ist dazu ausgebildet, das Paar von Schaltern K1, K4 und das Paar von Schaltern K2, K3 derart zu steuern, dass diese alternierend leitend sind, wodurch die Ständerwicklung mit einem alternierenden Strom versorgt wird, um den Motor anzutreiben. Die Steuerung 23 umfasst einen Signaleingangsanschluss n1 zum Empfangen eines Schaltersteuerungssignals S0, einen Phaseninverter K5 zum Invertieren der Phase des Schaltersteuersignals S0 und eine Verdrahtungsplatte zum Stützen und Verbinden der elektronischen Bauteile der Steuerung 23 und der Schaltkreise 21, 22. Auf der Verdrahtungsplatte sind ein erstes bis ein viertes Lötpad S1–S4 ausgebildet und zwei Leiter 26 sind angelötet. Das zweite Lötpad S2 ist mit einem Ausgangsanschluss n3 des Phaseninverters K5 verbunden. Das dritte Lötpad S3 ist mit dem Steueranschluss C2 des Schalters K2 verbunden. Das vierte Lötpad S4 ist mit dem Steueranschluss C4 des Schalters K4 verbunden.
-
Vorzugsweise weist die Steuerung 23 weiter zwei Isoliereinheiten, eine Spannungsverringerungseinheit und zwei Verzögerungseinheiten zum Verhindern, dass die Schalter K1~K4 eines Kurzschluss bilden, auf. Die erste Isoliereinheit und die Spannungsverringerungseinheit sind in Reihe zwischen dem Signaleingangsanschluss n1 und einem Eingangsanschluss n2 des Phaseninverters K5 geschaltet. Die zweite Isoliereinheit ist zwischen dem Signaleingangsanschluss n1 und dem ersten Lötpad S1 geschaltet. Die erste Verzögerungseinheit zum Verzögern der Leitung des Schalters K2 ist zwischen dem dritten Lötpad S3 und dem Steueranschluss C2 des Schalters K2 geschaltet. Die zweite Verzögerungseinheit zum Verzögern der Leitung des Schalters K4 ist zwischen dem vierten Lötpad S4 und dem Steueranschluss C4 des Schalters K4 geschaltet. Die zwei Isoliereinheiten sind dazu ausgebildet, die zwei Verzögerungseinheiten so zu isolieren, dass sie jeweils eine unabhängige Verzögerungszeit erzeugen, ohne dass sie sich gegenseitig beeinträchtigen.
-
Bei dieser Ausführungsform wird das Ausgangssignal des Sensors 24 an den Signaleingangsanschluss n1 übermittelt, um als das Schaltersteuersignal S0 zu wirken. Die erste Verzögerungszeit weist einen Widerstand R3 auf, der zwischen die Gleichstromspannung Vdd und den Steueranschluss C2 des Schalters K2 geschaltet ist. Die zweite Verzögerungseinheit weist einen Widerstand R4 auf, der zwischen die Gleichstromspannung Vdd und den Steueranschluss C4 des Schalters K4 geschaltet ist. Jeder der zwei Widerstände R3, R4 bildet zusammen mit einem Streukondensator des entsprechenden Schalters eine Widerstand-Kondensator-Schaltung, so dass sie den Ladevorgang des Kondensators nützen, um die Leitung des Schalters zu verzögern. Die erste Isoliereinheit weist eine erste Silikondiode D1 auf, deren Kathode mit dem Signaleingangsanschluss n1 verbunden ist. Die zweite Isoliereinheit weist eine zweite Silikondiode D2 auf, deren Kathode mit dem Signaleingangsanschluss n1 verbunden ist und deren Anode mit dem ersten Lötpad S1 verbunden ist.
-
Die Spannungsverringerungseinheit weist einen ersten Widerstand R6 und einen zweiten Widerstand R7 auf. Ein Ende des Widerstands R6 wirkt als der Eingangsanschluss n4 der Spannungsverringerungseinheit und ist mit der Anode der ersten Diode D1 verbunden, und das andere Ende des Widerstands R6 wirkt als ein Ausgangsanschluss n2 der Spannungsverringerungseinheit und ist mit einem Ende des Widerstands R7 verbunden, und das andere Ende des Widerstands R7 ist geerdet. Ein dritter Widerstand R5 ist zwischen der Gleichstromspannung Vdd und dem Eingangsanschluss n4 der Spannungsverringerungseinheit geschaltet. Der Phaseninverter K5 weist einen NPN-Transistor auf, dessen Kollektor als ein Ausgangsanschluss n3 des Phaseninverters wirkt und mit dem zweiten Lötpad S2 verbunden ist, dessen Emitter geerdet ist und dessen Basis als ein Eingangsanschluss des Phaseninverters dient und mit dem Ausgangsanschluss n2 der Spannungsverringerungseinheit verbunden ist. Bei dieser Ausführungsform ist die Funktion der Spannungsverringerungseinheit, zu vermeiden, dass der Phaseninverter K5 falsch leitend ist, wenn die erste Diode D1 leitend ist. Des Weiteren soll die Spannungsverringerungseinheit eine zu große Verringerung der Spannung an dem Ausgangsanschluss n2 auf ein Niveau niedriger als die Leitungsspannung des Transistors K5 vermeiden, wenn der Eingangsanschluss n4 der Spannungsverringerungseinheit durch den Hochziehwiderstand R2 auf ein hohes Niveau hochgezogen wird. Alternativ kann jede Isoliereinheit andere Typen von elektronischen Bauteilen aufweisen, wie beispielsweise Hochimpedanz-Operationsverstärker, optische Transistoren oder andere elektronische Bauteile mit einem P–N Übergang.
-
In einer ersten Verbindungsart, wie in 2 gezeigt, sind zwei Enden des ersten Leiters 25 mit dem ersten Lötpad S1 und dem vierten Lötpad S4 verbunden und dabei ist die Anode der zweiten Diode D2 mit dem Steueranschluss C4 des Schalters K4 verbunden. Zwei Enden des zweiten Leiters 26 sind mit dem zweiten Lötpad S2 und dem dritten Lötpad S3 verbunden und dabei ist der Ausgangsanschluss n3 des Phaseninverters mit dem Steueranschluss C2 des Schalters K2 verbunden. Die Leiter 25, 26 können Drähte oder Widerstände mit kleinem Widerstand sein.
-
Der Betrieb der ersten Verbindungsart wird nun mit Bezug auf 4 beschrieben. Wenn die Spannung am Knotenpunkt n1 hoch ist, ist die erste Diode D1 blockierend, die Spannung am Knotenpunkt n4 wird durch den Widerstand R5 auf ein hohes Niveau gezogen und die Spannung an der Basis des Transistors K5 ist auch hoch, was dazu führt, dass der Transistor K5 leitend ist, wodurch die Spannung am Knotenpunkt n3 auf Erdungsniveau heruntergezogen wird und der Schalter K2 blockierend ist. Andererseits, wenn die Spannung am Knotenpunkt n1 hoch ist, ist die zweite Diode D2 auch blockierend, die Spannung am Steueranschluss C4 des Schalters K4 wird durch den Widerstand R4 auf ein hohes Niveau gezogen, was dazu führt, dass der Schalter K4 leitend ist, wodurch die Spannung an dem Eingangsanschluss I4 des Schalters K4 auf Erdungsniveau gezogen wird, was dazu führt, dass der Schalter K1, leitend ist, und dann wird die Spannung an dem Ausgangsanschluss O1 des Schalters K1 auf ein hohes Niveau gezogen, um den Schalter K3 zu blockieren. In dem Vorgang bilden der Widerstand R4 und der Streukondensator des Schalters K4 eine RC-Schaltung, die die Leitung des Schalters K4 verzögert und eine Totzeit t1 zwischen dem Schalter K4 und dem Schalter K2 erzeugt.
-
Darüberhinaus ist die Verzögerungszeit der Leitung des Schalters K4 von der Spannung an dem Knotenpunkt n4 isoliert, da die Dioden D1, D2 blockierend sind. Im umgekehrten Fall, das heißt, wenn die Spannung an dem Knotenpunkt n1 niedrig ist, ist die zweite Diode D2 leitend und die Spannung an dem Steueranschluss C4 des Schalters K4 ist niedrig, was den Schalter K4, blockieren lässt. Auf der anderen Seite ist die erste Diode D1 auch leitend, die Spannung an dem Knotenpunkt n4 ist niedrig, was den Schalter K5 blockieren lässt, die Spannung an dem Steueranschluss C2 des Schalters K2 wird durch den Widerstand R3 auf ein hohes Niveau gezogen, was den Schalter K2 zum Leiten bringt, wodurch die Spannung an dem Eingangsanschluss I2 des Schalters K2 auf Erdungsniveau gezogen wird, um den Schalter K3 zum Leiten zu bringen, und dann wird die Spannung an dem Ausgangsanschluss O3 des Schalters K3 auf ein hohes Niveau gezogen, um den Schalter K1 zum Blockieren zu bringen. In dem Vorgang bilden der Widerstand R3 und der Streukondensator des Schalters K2 eine RC-Schaltung, die die Leitung des Schalters K2 verzögert und eine Totzeit t2 zwischen dem Schalter K2 und dem Schalter K4 erzeugt. Zusammenfassend sind die Schalter K4, K2 unter der Steuerung eines einzigen Schaltersteuersignals S0 alternierend leitend, und die Schalter K1, K3 folgen den leitenden Zuständen der Schalter K4, K2, um den Motor mit einem alternierenden, Strom zu versorgen.
-
3 zeigt eine zweite Verbindungsart der Stromversorgungsschaltung 20 gemäß der bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Bei der zweiten Art ist der erste Leiter 25 zwischen das erste Lötpad S1 und das dritte Lötpad S3 geschaltet wodurch die Anode der zweiten Diode D2 mit dem Steueranschluss C2 des Schalters K2 verbunden ist. Der zweite Leiter 26 ist zwischen das zweite Lötpad S2 und das vierte Lötpad S4 geschaltet, wodurch der Ausgangsanschluss n3 des Phaseninverters mit dem Steueranschluss C4 des Schalters K4 verbunden ist. Wenn die Spannung an dem Knotenpunkt n1 hoch ist, ist der Transistor K5 leitend, der Schalter K4 ist blockierend und der Schalter K2 ist leitend, was den Schalter K3 zum Leiten bringt und den Schalter K1 zum Blockieren bringt. Wenn die Spannung an dem Knotenpunkt n1 niedrig ist, ist der Transistor K5 blockierend, der Schalter K2 ist blockierend und der Schalter K4 ist leitend, was den Schalter K1 zum Leiten bringt und den Schalter K3 zum Blockieren bringt.
-
Bei der ersten Verbindungsart sind die Schalter K1, K4 leitend und die Schalter K2, K3 sind blockierend, wenn die Spannung des Schaltersteuersignals S0 hoch ist, und die Schalter K1, K4 sind blockierend und die Schalter K2, K3 sind leitend, wenn die Spannung des Schaltersteuersignals S0 niedrig ist. Demgegenüber sind bei der zweiten Verbindungsart die Schalter K1, K4 blockierend und die Schalter K2, K3 leitend, wenn die Spannung des Schaltersteuersignals S0 hoch ist, und die Schalter K1, K4 sind leitend und die Schalter K2, K3 blockierend, wenn die Spannung des Schaltersteuersignals S0 niedrig ist. Das heißt, für dasselbe Schaltersteuersignal S0 werden verschiedene Paare von Schaltern in den zwei Verbindungsarten leitend sein.
-
Es ist bekannt, dass die Richtung, in der sich der Motor dreht, sich auch ändern wird, falls das Paar von Schaltern, das zuerst leitend ist, sich ändert. Mit anderen Worten, falls das Paar von Schaltern, das zuerst leitend ist, sich von K1, K4 zu K2, K3 ändert, wird die Richtung des Stroms, der zuerst durch den Motor fließt, sich von der Richtung von T1 nach T2 zu der Richtung von T2 nach T1 ändern, was die Richtung der Drehung des Motors auch ändern lässt. Deshalb kann die Stromversorgungsschaltung bequem auf verschiedene Anwendungen angewandt werden, wo die Richtung der Drehung des Motors unterschiedlich ist, einfach durch Verbinden der zwei Leiter 25, 26 mit den vier Lötpads S1~S4 auf unterschiedliche Arten.
-
In der Beschreibung und den Ansprüchen den vorliegenden Erfindung wird jedes der Verben „umfassen”, „aufweisen”, „beinhalten” und „haben” und Variationen davon in einem inklusiven Sinne verwendet, um das Vorhandensein der genannten Dinge zu spezifizieren, allerdings nicht, um das Vorhandensein zusätzlicher Dinge auszuschließen.
-
Obwohl die Erfindung mit Bezug auf eine oder mehr bevorzugte Ausführungsformen beschrieben ist, sollte von einem Fachmann erkannt werden, dass verschiedene Modifikationen möglich sind. Deshalb soll der Umfang der Erfindung mit Bezug auf die Ansprüche, die folgen, bestimmt werden.
