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Regeleinrichtung für einen Wickelantriebsmotor in Magnetbandgeräten
Bei Magnetbandgeräten für Ton- oder Meßwertaufzeichnung und -Wiedergabe werden an
die Laufruhe der Wickelspule oder Wickelspulen oftmals sehr hohe Anforderungen gestellt,
da auch bei Anordnung einer besonderen Bandantriebsrolle kleine Schwankungen der
Wickelgeschwindigkeit bis auf den über das Magnetkopfsystem laufenden Bandteil durchgreifen
können. Es ist bekannt, eine Meßeinrichtung für den Bandzug vorzusehen und in Abhängigkeit
von dieser die Drehzahl eines die Wickelspule antreibenden Motors zu regeln, insbesondere
eines Einphasen-Induktionsmotors. Man arbeitet z. B. mit einer Steuerung der Motorspannung
über gesteuerte Gleichrichter, die in bekannter Weise einen veränderlichen Phasenanschnitt
bewirken, d. h. einen regelbaren Teil der Halbwellen unterdrücken.
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Es wurde aber festgestellt, daß, insbesondere bei kleiner Wickelspulenmasse,
die 100-Hz-Anschnittsflanken der 50-Hz-Sinushalbwellen sich als Momentschwankungen
auswirken, die den gleichmäßigen Bandlauf stören.
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Es ist bekannt, die Leistungszufuhr zu einem Gleichstromverbraucher
über einen elektronischen Leistungsschalter zu steuern, der seinerseits mit einer
Rechteckimpulsfolge angesteuert wird. Bei einer bekannten Schaltung wird diese durch
einen Schmitt-Trigger erzeugt, der Rechteckimpulse veränderbarer Dauer liefert,
indem er durch in ihrer Amplitude veränderbare Spannungsspitzen angesteuert wird.
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Als Bestandteil einer Spannungs-Gleichhaltungsschaltung waren auch
Zerhackungsschaltmittel bereits bekannt in Gestalt eines astabilen Multivibrators,
dessen Taktimpulse einen monostabilen Multivibrator anstoßen. Die bekannte Schaltung
benutzt diese Schaltmittel zur Zwischenzerhackung mit Impulsbreiten- und Impulsfrequenzregelung
einer danach durch ein Tiefpaßfilter wieder geglätteten Spannung, welche nach Maßgabe
einer Referenzspannung durch eine Regelung der Zeitkonstanten beider Multivibratoren
konstant gehalten wird.
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Um die Spannung bzw. Geschwindigkeit eines auf-oder abzuwickelnden
Gutes zu regeln, ist es auch bekannt, die von einem federbelasteten Schlaufenhebel
als Bandzugmeßorgan abgeleitete Stellgröße in Form eines z. B. durch ein Zeitrelais
impulsweise wirkenden Stromes auf einen besonderen Regelmotor zu geben, welcher
das Feld des Wickelantriebsmotors oder die Übersetzung zwischen diesem und der Wickelrolle
regelt. Es ist ferner bekannt, die veränderliche Stellung eines solchen Schlaufenhebels
in elektrische Impulse veränderlicher Breite umzusetzen, wobei diese von einer mit
eigenem Antrieb versehenen Kontaktwalze gebildet und auf eine Regelbremse für die
Wickelrolle zur Einwirkung gebracht werden. Diese verhältnismäßig aufwendigen Einrichtungen
sind für größere Verarbeitungsmaschinen insbesondere der Papier- oder Textilverarbeitung
gedacht und für Magnetbandgeräte nicht geeignet.
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Die Erfindung bezieht sich auf eine Regeleinrichtung für einen Wickelantriebsmotor
in Magnetbandgeräten, dessen Drehzahl über ein Bandzugmeßorgan durch Modulation
der Dauer von Impulsen geregelt wird, die dem Motor mit einer Folgefrequenz zugeführt
werden.
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Ziel der Erfindung ist eine solche Ausbildung der Einrichtung, daß
für die magnetische Aufzeichnung und Wiedergabe nachteilige Störungen der Gleichmäßigkeit
des Magnetbandlaufes nicht auftreten.
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Die Erfindung sieht vor, daß das Meßorgan in Abhängigkeit von dem
Bandzug die Dauer der Verweilzeit im astabilen Zustand eines monostabilen Multivibrators
steuert, der durch die Taktimpulse eines mit Ultraschallfrequenz arbeitenden Frequenzgenerators
jeweils in seinen astabilen Zustand geworfen wird und mit seinen Rechteckimpulsen,
welche kürzer sind als der Taktirnpulsabstand, in an sich bekannter Weise die Motorspannung
aus- oder einschaltet.
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Die so in verhältnismäßig einfacher Weise bewirkte, mit gleichzeitiger
Impulsbreitenregelung verbundene ultraschallfrequente Zerhackung der Motorspannung
hat zur Folge, daß die durch die Spannungsunterbrechungen entstehenden Strom- und
Momentenschwankungen im Motor selbst genügend geglättet werden. Ferner wird durch
die Benutzung des Ultraschallbereichs die Entstehung von Störtönen in dem Gerät
verhindert. Für große Drehzahlbereiche kann es vorteilhaft sein, die Regeleinrichtung
so auszubilden, daß das Bandzugmeßorgan zusätzlich, wie an sich bekannt, auch die
Zerhackungsfrequenz durch Änderungen der Frequenz des Frequenzgenerators steuert.
An
Hand der Zeichnung sei die Erfindung in einem Ausführungsbeispiel näher beschrieben.
Dabei zeigt F i g. 1 ein Schema der Regeleinrichtung, F i g. 2 eine Schaltung für
den Impulsbreitenregler und F i g. 3 einen Schaltkreis für die Ein- und Ausschaltung
der Motorspannung.
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In F i g. 1 ist mit 1 ein Magnetband bezeichnet, das durch eine Antriebsrolle
2 mit Andruckrolle 3 mit gleichförmiger Geschwindigkeit nach links gefördert und
über ein nicht dargestelltes Magnetkopfsystem hinwegbewegt wird. Das Band 1 wird
dabei von einer Wickelspule 4 abgewickelt, welche durch einen Einphasen-Induktionsmotor
mit Hilfsphase 5 angetrieben wird. Zwischen der Wickelspule 4 und der Antriebsrolle
2 läuft das Magnetband über Umlenkrollen 6 und 7 sowie über die Rolle 8 eines Schlaufenhebels
9, durch den unter der Wirkung einer Feder 10 das Band zwischen den Rollen 6 und
7 in eine je nach der Bandspannung sich verkürzende oder verlängernde Schlaufe ausgezogen
wird. Der je nach der Bandspannung um seinen Drehpunkt geschwenkte Hebel 9 steuert
durch seine Bewegungen einen Geber 11, welcher proportional der Hebelauslenkung
eine Spannung im Bereich von z. B. 0 . . . -I- U erzeugt. Dies kann induktiv, kapazitiv,
über einen Widerstandsregler oder auch fotoelektrisch geschehen.
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Die der Bandspannung proportionale Steuerspannung aus 11 wird einem
monostabilen Multivibrator 12 zugeführt und beeinflußt in diesem die Verweilzeit
in dem astabilen Zustand. Ein vorzugsweise als astabiler Multivibrator ausgebildeter
Impulsgeber 13 liefert Impulse, durch die der monostabile Multivibrator jeweils
in seine astabile Lage geworfen wird, mit einer Frequenz von etwa 20 kHz. Mit 14
ist ein Schaltverstärker bezeichnet, der über die Klemmen 15 von einem Netz-Wechselstrom
von 50 Hz gesteuert wird und gleichgerichtete Halbwellen als Kollektorspannung für
den Induktionsmotor 5 abgibt. Am Ausgang des monostabilen Multivibrators 12 entstehen
durch den abwechselnden Übergang in den astabilen und wieder in den stabilen Zustand
Spannungssprünge, nämlich Spannungssprünge in der einen Richtung mit der Frequenz
von 20 kHz, und dazwischenliegend - die Eigenzeit des Multivibrators ist entsprechend
kurz gewählt - Sprünge in der anderen Richtung. In dem entstehenden Rechteckimpulsmuster
können die Impulsbreiten der beiden zwischen den 20-kHz-Sprüngen liegenden Zustände
in ihrem gegenseitigen Verhältnis geändert werden, indem, wie erwähnt, die Verweilzeit
des monostabilen Multivibrators 12 in dem astabilen Zustand verändert wird. Der
Rechteckimpulszug wird dem Endverstärker 14 zugeführt und steuert diesen so, daß
durch die Rechteckimpulse der einen Polarität der Verstärker gesperrt und durch
Impulse der anderen Polarität geöffnet wird. Die abgegebenen Spannungshalbwellen
sind also zerhackt mit einer Frequenz von 20 kHz, wie das in dem der F i g. 1 beigegebenen
Diagramm dargestellt ist. Während der schraffierten Zeitabschnitte möge die Kollektorspannung
unterbrochen und während der nicht schraffierten angelegt sein. Das Verhältnis der
Durchlaßzeit zur Sperrzeit wird durch Veränderung der Eigenzeit des Multivibrators
12 in Abhängigkeit von der Bandspannung variiert und damit der mittlere Motorstrom
und die Laufgeschwindigkeit des Motors.
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Da vielfach Wickelspulen mit wesentlich verschiedenen Kerndurchmessern
verwendet werden sollen und auch der Durchmesser des Bandwickels sich während des
Laufes ändert, weiterhin auch verschiedene Drehzahlen der Antriebsrolle 2 vorgesehen
sein können, ist eine Regelung der Drehzahl des Motors 5 in einem großen Drehzahlbereich
erforderlich. Durch die Variation der Durchlaßbereiche in dem Spannungsdiagramm
kann dies bewirkt werden. Indem dabei die Zerhackungsfrequenz in einen Bereich oberhalb
der Schallfrequenzen gelegt ist, wird erreicht, daß auch bei sehr schmalen wirksamen
Stromimpulsen keine Momentenschwankungen auftreten, die als Geschwindigkeitsstöße
auf das Band durchgreifen könnten, indem nämlich die mit dieser hohen Frequenz erfolgenden
Momentenstöße vom Motor selbst mechanisch und elektrisch genügend gefiltert werden.
Man erreicht durch diese Steuerung praktisch ein Verhalten des Motors wie bei einer
reinen Sinusspannung.
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An sich kann dieser Effekt mit einer Zerhackungsfrequenz von einigen
hundert Hertz erreicht werden. Verbleibt man jedoch im Bereich der hörbaren Frequenzen,
so kann durch Schwingungen im Motor, in Kühlblechen usw. ein Störton entstehen,
und es ist daher vorgesehen, daß die Zerhackungsfrequenz, wie bereits angegeben,
mit etwa 20 kHz in den Ultraschallbereich gelegt wird.
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Zur Erzielung extrem großer Drehzahlbereiche kann außerdem noch vorgesehen
werden, daß außer der geschilderten Impulsbreitenregelung von dem Geber 11 aus auch
noch, wie in F i g. 1 durch den gestrichelten Pfeil angedeutet, die Frequenz des
Taktgebers 13, also die Zerhackungsfrequenz, variiert wird, um durch Verminderung
dieser Frequenz einen noch breiteren Bereich für die Herabsetzung der Durchlaßzeit
im Verhältnis zu der Sperrzeit zu erhalten.
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In F i g. 2 ist ein Schaltungsbeispiel gegeben für einen monostabilen
Multivibrator, der in der Einrichtung als Impulsbreitenregler verwendet werden kann.
Der monostabile Multivibrator besteht aus zwei npn-Transistoren T 1 und
T 2, deren Kollektorwiderstände R 1 und R 2 an eine positive Spannung -I-
U angeschlossen sind und deren Emitter gemeinsam an dem geerdeten Widerstand R 3
liegen. Die Basis von T2 ist an den Kollektor T 1 über den Widerstand R 4 mit Parallelkondensator
C4 und an Erde über den Widerstand R 5 angeschlossen, während die Basis von T 1
über den Widerstand R 6 mit Parallelkondensator C6 an den Kollektor von T2 und über
Widerstand R 7 an Erde angeschlossen ist. An dem Kollektor von T 2 liegt
außerdem ein Kondensator Ct, der wesentlich die Verweilzeit der Kippanordnung im
astabilen Zustand bestimmt. An die Basis von T1 ist beim Spannungsteilerpunkt p
eine Zuführungsleitung für die Kippimpulse angeschlossen, die eine für negative
Impulse durchlässige Diode D in Serie mit einem Kondensator Ck enthält. Ihre Eingangsklemme
k1 ist an einen astabilen Multivibrator angeschlossen, dessen Ausgangsimpulse differenziert
werden, so daß er Nadelimpulse erzeugt. Die positiven Nadelimpulse werden abgeschnitten,
die negativen gelangen mit einer Frequenz von 20 kHz über Ck und D auf die
Basis von T1.
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Durch genügend positive Vorspannung seiner Basis ist Transistor T1
normalerweise leitend, wodurch die Spannung an der Basis von T2 aus Sperrpotential
erniedrigt ist. Durch einen bei p eingehenden
negativen Nadelimpuls
wird T 1 gesperrt, wodurch das Potential an der Basis von T2 positiver und
dieser Transistor leitend wird. Der ins Negative gehende Spannungssprung am Kollektor
von T2 bewirkt eine negative Aufladung von Ct. Die andere Belegung von C, ist über
einen relativ niederohmigen Widerstand R 8 mit dem Punkt p verbunden und außerdem
mit dem Kollektor eines pnp-Transistors T 3, dessen Emitter an -I- U liegt.
Die Basis von T 3
ist über Widerstand R 9 mit Erde verbunden und wird über
Klemme k 2 sowie Widerstand R 10 mit Parallelkondensator C 10 angesteuert von der
Steuerspannung, die von dem Geber 11 geliefert wird und, wie erwähnt, in dem Bereich
von 0 . . . + U variiert. Durch diese Basisspannung wird der Transistor T3 mehr
oder weniger aufgesteuert, die Ladung von C, fließt, von den Nebenwiderständen abgesehen,
im wesentlichen über die Emitter-Kollektor-Strecke von T 3 ab, bis das positive
Potential über T 1 und R 8 den Transistor T 1 wieder leitend macht, d. h.
die monostabile Kippschaltung in den stabilen Zustand zurückkehrt. Die Verweilzeit
in dem astabilen Zustand hängt von der Entladedauer des Kondensators Ct ab, und
diese wird mittels der Durchlässigkeitssteuerung von Transistor T 3 durch
die an k 2 anliegende Steuerspannung verändert. Das durch die Spannungssprünge
am Kollektor von T1 entstehende Rechteckimpulsmuster wird über die Ausgangsklemme
k 3 dem Schaltverstärker 14 zugeführt.
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In F i g. 3 ist eine beispielsweise Ausführung der Endstufe für die
Motorsteuerung dargestellt. Der Motor 5 erhält seine Kollektorspannung von den Netzklemmen
kN über die Sekundärwicklung eines Transformators Tr und eine Dioden-Gleichrichterbrücke
G in Graetz-Schaltung, welche die Halbwellen auf gleiche Polarität bringt. Der eine
Eckpunkt der Brücke ist jedoch nicht direkt, sondern über die Emitter-Kollektor-Strecke
eines pnp-Transistors T 4 mit Erde verbunden. Durch Ansteuerung der Basis dieses
Transistors über Klemme k 4 mit dem in der beschriebenen Weise erzeugten Rechteckimpulsmuster
wird bei positiver Spannung der Transistor T4 gesperrt und bei negativer Spannung
geöffnet, so daß die Spannungshalbwellen in dem Motorkreis mit der Frequenz von
20 kHz unterbrochen und nur während der durch die Impulsbreitenmodulation bestimmten
Zeit wirksam werden.
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Es sei bemerkt, daß an Stelle der Transistorsteuerung auch eine Schaltung
benutzt werden könnte, die gesteuerte Gleichrichter mit Löschung im 20-kHz-Takt
verwendet. Eine solche Schaltung erfordert jedoch mehr Aufwand. Statt dessen könnte
eine entsprechend wirksame Schaltung auch mit Steuer- und löschbaren Halbleiterschaltern
aufgebaut werden.
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Die beschriebene Form der Regelung ist auch bei Gleichstrommotoren
anwendbar. Bei Wechselstrommotoren ist die gewünschte Regelwirkung am günstigsten
dadurch zu erzielen, daß ein Rohrläufermotor oder ein anderer Motor (wie z. B. Universalmotor)
verwendet wird, der eine fallende Kennlinie hat, dessen Moment also mit der Drehzahl
abnimmt.
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Bei Geräten mit ab- und aufwickelnder Spule werden zweckmäßig beide
mit der beschriebenen Regeleinrichtung versehen.