DE2003235A1

DE2003235A1 - Impulsbreiten-modulierter Leistungsverstaerker vom Brueckentyp mit Gedaechtnisspeicher und Sperr-Logik

Info

Publication number: DE2003235A1
Application number: DE19702003235
Authority: DE
Inventors: Brennan Donald Francis
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1969-01-28
Filing date: 1970-01-24
Publication date: 1970-07-30
Also published as: GB1267642A; US3560829A; FR2029582A1; CH504134A

Description

Die Erfindung betrifft einen neuen und verbesserten Impulsbreiten-modulierten Leistungsverstärker vom Brückentyp mit Gedächtnisspeicher und Sperr-Logik (lockout logic).

Insbesondere betrifft die Erfindung einen Leistungsverstärker vom Brückentyp, der eine neuartige logische Gedächtnisschaltung zur Einschaltung besitzt, um nur einen der vorher stromdurchlässigen unteren Brückenarme (Transistoren) eingeschaltet zu halten, welche vor der Wegnahme der Antriebsspannung stromdurchlässig war, und die dazu dient, den Auslaufstrom (coasting current) während der Zeit durch den Verbraucher zu führen, während der die Antriebsspannung abgeschaltet ist. Die Erfindung liefert weiterhin eine neuartige logische Sperr-.

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Schaltung, welche die gleichzeitige Zufuhr von Einschaltsignalen auf beiden Seiten der Leistungsbrücke und auch die gleichzeitige Zufuhr von Einschaltsignalen auf den oberen und unteren Leistungstransistor auf der bleichen Seite der Leistungsbrücke verhindert .

In dem bekannten Stand der Technik wurde bereits ein Impulsbreiten-modulierter Leistungsverstärker vom Brückentyp offenbart. Dieser Impulsbreiten-modulierte Leistungsverstärker vom Brückentyp (nachstehend als PWM-Brücken-Lelstungsverstärker bezeichnet) ist sehr zufriedenstellend für den Antrieb von Servo-Motoren und ähnlichen und verwendet diagonal gegenüberliegende Leistungsschaltelemente (beispielsweise Leistungstransistoren). Diese werden auf eine solche Weise dazu veranlaßt, in einer vorgegebenen Richtung einen Strom durch den Verbraucher zu leiten, daß ein Satz von diagonal gegenüberliegenden Elementen den Verbraucherstromfluß in einer Richtung bewirkt und der übrige Satz von diagonal gegenüberliegenden Elementen den Verbraucherstrom in der entgegengesetzten Richtung bewirkt. Durch Modulation oder Steuerung der Stromdurchlaß-Intervalle (Stromdurchlaßzeiten) der Sätze von diagonal gegenüberliegenden Leistungrsschalterelementen kann der Stromfluß durch den Verbraucher proportional gesteuert werden. Der in dem Stand der Technik bekannte PVM-Brücken-Leistungsverstärker enthält ebenfalls eine Logikschaltung als Gatter (gating-on) und als "Ecken-Sperrung" (corner-lockout), um die gleichzeitige Zufuhr von Einschaltsignalen zu beiden Leistungstransistorenlauf den gleichen Seiten der Leistungsbrücke zu verhindern. Diese bekannte Gatterschaltung und Ecken-Sperrungs-Logikschaltung erfüllt auch die doppelte Punktion der Einschal-' tung der Leistungstransistoren in der unteren Ecke der Leistungsbrücke bei Abwesenheit einer Anforderung für die Antriebsspannung entweder in der Vorwärtsrichtung oder in der Rückwärtsrichtung. Durch diese Anordnung konnte der in dem Verbraucher fließende Strom während der Abschaltperioden der Antriebsspannung durch den Verbraucher erneut hindurchgeführt (recirculated) werden,

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um im Endeffekt den im Verbraucher zugeführten Strom auszugleichen. Diese Technik ist sehr vorteilhaft bei induktiven Verbrauchern wie Elektromotoren, wo es erwünscht ist,· den Mittelwert (averaging:) des im Verbraucher fließenden Stroms zu bilden. Diese bekannte Eckensperrunrs-Logikschaltung führt jedoch zu einer "Wettlauf'-Bedingung (race-condition) bezüglich der jeweiligen Einschalt- und Abschaltzeiten der unteren und oberen Leistungstransistoren auf der gleichen Seite der Leistungsbrücke. Man wird verstehen, daß bezüglich einer solchen "Wettlauf'-'-Bedingung ein Kurzschlußzustand bestehen würde, wenn ein Leistungstransistor in einer unteren Ecke den Wettlauf verliert und nicht vor dem Einschalten des Lelstunprstransistors in der oberen Ecke auf der gleichen Seite der Leistungsbrücke sich ausschaltet; dadurch würden unerwünschte Stromstöße hervorgerufen werden, die möglicherweise die Leistungsbrücke zerstören, die Zuverlässigkeit verringern können, usw.

Die vorliegende Erfindung hat die Aufgabe, diesen Zustand zu überwinden.

Es ist daher ein Hauptziel der vorliegenden Erfindung, einen neuen und verbesserten PWM-Brücken-Leistungsverstärker zu liefern, der eine verbesserte Schaltung für die Gedächtnisspeicherung und Torschaltung und Sperrung besitzt. Bei der praktischen Durchführung enthält ein PWM-Brückenverstärker mit GedSchtnisechaltung und "Sperr- und Einschaltlogik mindestens erste und zweite, dritte und vierte durch Torschaltungen gesteuerte Leistungs-Halbleiter für gesteuerten Stromcurchlaß (Transistoren), die in Form einer Wheatston'sehen Brücke so verbunden sind, daß ein Satz der diagonal gegenüberliegenden Anschlüsse der Leietungsbrücke über ein Paar von Anschlußpunkten des Stromversorgungsteiles geschaltet sind, welche ihrerseits über eine Quelle elektrischer Energie geschaltet sind. Der elektrische Verbraucher ist über das verbleibende Paar von diagonal gecenüberliegenden Anschlußpunkten der Leistungsbrücke geschaltet. Die Leistungsbrücke ist in einer solchen Weise aufgebaut, daß

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der Verbraucherstrom dem Verbraucher in einer Richtung zugeführt wird, wenn die erste und zweite Halbleiter-Leistungsvorrichtung stromdurchlässig gemacht wird. Wenn die dritte und vierte Halbleiter-Leistungsvorrichtung stromdurchlässig gemacht werden, dann wird der Verbraucherstrom dem Verbraucher in der entgegengesetzten Richtung zugeführt. An die Jeweiligen Steuertore der Halbleiter-Leistungsvorrichtungen für die Torsteuerung ist eine Gedächtnislogik und eine Sperrschaltung angekoppelt, um selektiv die gewünschten Halbleiter-Leistungsvorrichtungen einzuschalten und zu sperren, und auf diese Weise variabel die Leitfähigkeiteinte tervalle zu steuern und proportional gesteuerte Erregeretrommengen mit einer gewünschten Polarität durch den Verbraucher zu erhalten. Die Gedächtnislogik und die Sperrgatterechaltungsvorrichtung umfassen eine Eingangsschaltung zur Feststellung der Polarität, mit der man Impulsbreiten-modulierte Eingangesteuersignale umkehrbarer Polarität erhält, welche die Polarität und Grosse des dem Verbraucher zuzuführenden Erregerstroms anzeigt. Durch die Eingangsschaltung zur Feststellung der Polarität wird eine erste NAND-Gattex*-Logikschaltung versorgt, welche zur Einschaltung einer Halbleiter-Leletungsvorrichtung aus dem Sate der ersten und zweiten Halbleitervorrichtung oder einer ausgewählten Halbleitervorrichtung aus dem Satz der dritten und vierten Halbleitervorrichtung dient, um dem Verbraucher den Erregerstrom in einer vorbestimmten Richtung zuzuführen und den Stromdurchgang durch den anderen Satz von Halbleitervorrichtungen zu sperren. Eine zweite NAND-Gatter-Gedächtnis-Loglkschaltungfelrd von der ersten NAND-Gatter-Logikschaltung versorgt und dient dazu, dem Steuertor der anderen Halbleitervorrichtung in dem gerade ausgewählten Satz entweder der ersten und zweitenoder der dritten und vierten Leistungs-Halbleitervorrichtung ein Potential zuzuführen, das die Einschaltung der Vorrichtung durch ein Gatter gestattet} dies erfolgt gemäß der Richtung, in der der Verbraucherstrom durch den Verbraucher geschickt werden soll. Die zweite NAND-Oatter-Gedächtnis-Logikechaltung dient dazu, das Potential zu speichern und durch das Steuergatter der letztgenannten anderen Halbleitervorrichtung zuzuführen, das eine Einschaltung durch das Gatter er- ·

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möglicht, und um die Vorrichtung stromdurchlässig zu halten und dadurch den Verbraucherstrom zwischen den impulsartigen Stromdurchlaß-Intervallen beider Leistungs-Halbleitervorrichtungen in dem ausgewählten Satz durch den Verbraucher zu führen.

Der oben beschriebene PWM-Brücken-Leistungsverstärker enthält weiterhin Vorrichtungen in jedem Arm der Leistungsbrücke, um den Strom in mindestens zwei aneinandergrenzenden Armen der Leistungsbrücke in zwei Richtungen zu zirkulieren, wobei diese aneinander^grenzenden Arme mit entgegengesetzten Anschlußklemmen j des Verbrauchers verbunden sind und eine gemeinsame Verbindungzu einem Anschlußpunkt des Netzteils haben. Der PWM-Brücken-Leistungsverstärker enthält weiterhin Verzögerungsvorrichtungen, die in den Ausgang der ersten NAND-Gatter-Logikschaltung eingefügt sind und zur Verzögerung der Zuführung der Einschaltpotentiale an eine ausgewählte Leistungs-Halbleitervorrichtung des Satzes der ersten und zweiten oder des Satzes der dritten und vierten Vorrichtung während einer vorgegebenen Zeitperiode dienen, die ausreichend ist, um die Abschaltung der Leistungs-Halbleitervorrichtung des anderen Satzes auf der gleichen Seite der Leistungsbrücke zu gewährleisten.

Als Folge der obigen Anordnung umfaßt der neue und verbesserte ^ PWM-BrÜcken-Leistungsverstärker eine Leistungsausgangsstufe mit hohem Wirkungsgrad, die frei von vorübergehenden Stromstößen ist, die eine potentielle Zerstörungsgefahr für die Schaltung verursachen und ihre Zuverlässigkeit verringern. Er verwendet dabei trotzdem wirksam standardmäßige handelsmäßig erhältliche integrierte Schaltungsbauteile für die Herstellung der Schaltung. Die in die logische Gatterschaltung eingefügte Verzögerungsvorrichtung verhindert vorübergehende kurze Schaltungsströme, die sonst erzeugt werden könnten, wenn der Verbraucherstrom umgepolt wird. Die logische Schaltung schließt eine Sperrwirkung ein, welche die gleichzeitige Zufuhr von positiven Einschaltsignalen an beiden Seiten der Brücke verhindert und dabei nur die untere

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Leistungs-Halbleitervorrichtung (Transistor) der Brücke eingeschaltet hält, welche vor der Wegnahme der Antrlebaspannung an dem oberen Teil der Brücke eingeschaltet war. Hierdurch wird der "Wettlauf"-Zustand beseitigt, der sonst bestehen könnte, wenn der obere Arm der Leistungsbrücke während eines Antriebsspannungs-Intervalles wieder eingeschaltet wird.

Weitere Ziele, Eigenschaften und viele der Vorteile der Erfindung werden verständlicher anhand der folgenden detaillierten Beschreibung zusammen mit den Abbildungen. In den einzelnen Abbildungen sind Jeweils gleiche Teile mit der gleichen Bezugsziffer bezeichnet.

Fig. 1 ist eine detaillierte schematische Schaltzeichnung eines gemäß der Erfindung aufgebauten Impulsbreiten-modulierten Brücken-Leistungsverstärkers mit Speicher- und Sperrlogik.

Pig. 2 ist eine Reihe von Wellenformen, welche die Betriebsweise des Impulsbreiten-modulierten Brücken-Leistungsverstärkers nach Fig. 1 veranschaulicht.

Der in Fig. 1 gezeigte PWM-Brücken-Leistungsverstärker besteht aus zwei getrennten Abschnitten. Ein Abschnitt umfaßt logische Torschaltkreise von Modulen für geringe Signalamplitude, welche ein von einem Servo-Eingang oder ähnlichem erhaltenes Fehlersignal in zwei verschiedene Fehler-Steuerimpulse von verschiedener ■■■■·-. Breite umwandelt, die entgegengesetzte Polaritäten darstellen. Diese Steuerimpulse mit variabler Impulsbreite und entgeeengesetzter Polarität werden dann in geeigneten logischen Schaltkreisen so weiter verarbeitet, daß sie den Leistungsabschnitt des PWM-Brücken-Leistungsverstärkers dazu veranlassen, durch den Verbraucher, welcher beispielsweise einen Servo-Motor umfassen kann, einen Strom in einer Richtung und mit einer Größe zu liefern, die durch den Charakter der Fehler-Steuerimpulse von der logischen Torschaltung bestimmt werden. Man erkennt daher, daß der zweite oder Hochleistungsabschnitt des PWM-Brücken-Leistungs-

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Verstärkers (allgemein mit 11 bezeichnet) in der Tat in seiner Arbeitsweise durch die allgemein mit 12 bezeichnete logische Steuer- und Tor8chaItunρ für geringe Signal-Amplituden gesteuert wird.

Der Hochleistungsabschnitt 11 des gesamten PWM-Brücken-Leistungsverstärkers kann so konstruiert sein, daß er einen Servo-Motor, wie er bei 13 gezeigt wird, steuert. Er umfaßt mindestens erste Q₁ und zweite Q₂ und dritte Q, und vierte Q₁₁ durch Torschaltung gesteuerte Halbleiter-Leistungsvorrichtungen für gesteuerten Stromdurchgang wie planare, passivierte NPN-Leistungctransi- M stören des Typs 2880 der General Electric, welche durch "Semiconductor Products Department" der General Electric Company in Syracuse, Staat New York, vertrieben werden.

Die Leistungstranistoren Q₁ bis Qj₁ können in der Tat den zweiten oder Ausgangs-Leistungstranslstor einer mit zwei Transistoren bestückten Leistungsstufe umfassen, deren Leistungstransistoren Q. bis Qfi der ersten Stufe die Basiselektroden der Ausgangs-Leistungstransistoren Q₁ bis Q₁, ansteuern. Zu diesem Zwecke sind die Basiselektroden der jswei Ausgangs-Leistungstransistoren Q₁ und Q, über den Kollektor-Arbeitswiderstand 14 bzw. 15 geschaltet, äer In der Emitter-Kollektorschaltung der Transistoren ^Ia ^btw· ^3a ^{der er8ten} Stufe enthalten 1st. über die Basis- % Ealtterstrecke der Transistoren Q_1& und Q,_fi der ersten Stufe •ind die Widerstände 16 geschaltet, um die Eingangs-Impedanzcharakteristik der gesaraten aus zwei Transistoren bestehenden Leistungsstufe zu verbessern, ohne ihre Belastungsfähigkeit zu verringern. In ähnlicher Weise sind die Basiselektroden der Ausfangs-Lelstungstransistoren Q₂ und Q₁₁ über die Emitter-Widerstände 17 und 18 geschaltet, die in den Emitter-Kollektorstrecken der ersten Leistungstransistoren Q_2a bzw. Q₁. enthalten sind, und den Basiselektroden der ersten Leistungstransistoren Q₂ und Qjj werden über relativ hohe Widerstände .19 und 21 getrennte Vörepannungspotentiale zugeführt, welche In ähnlicher Weise dazu dienen, die Empfindlichkeit der LeI-■tungsstufe zu verbessern, ohne ihre Belastbarkelt zu beein-

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trächtigen. Zur bequemeren Bezeichnungsweise werden nachstehend Jeweils nur eine einzige bestimmte Vorrichtung, wie beispielsweise Q₁, angeführt, wenn auf einen durch Torschaltung gesteuerten Leistungs-Halbleiter in Form einer Vorrichtung oder eines Leistungstransistors mit gesteuertem Stromdurchlaß Bezug genommen wird. Dabei ist dies Jedoch so zu verstehen, daß der Ausdruck, obwohl nur eine einzige Vorrichtung wie Q₁ verwendet werden könnte, auch irgendeine geeignete, aus zwei Transistoren bestehende Leistungsstufe, wie beispielsweise die oben offenbarte oder einen einzelnen Leistungstransistor beinhalten soll oder im gewünschten Falle auch aus einer durch Torschaltung gesteuerten, den Strom in. einer Richtung durchlassenden Vorrichtung, bestehen könnte, wie beispielsweise aus einem durch Torschaltung gesperrten gesteuerten Siliziumgleichrichter oder sein bilaterales Äquivalent, der Triac; dies kann erreicht werden durch gewisse Modifikationen in der Schaltung, die anhand der vorliegenden technischen Lehre offensichtlich sind. Demgemäß 1st die Schaltung In keiner Welse auf die Herstellung mit den genauen abgebildeten Bauteilen beschränkt; es können Im Gegenteil gewisse Änderungen, welche für den Fachmann der Elektronik offensichtlich sind, leicht so eingerichtet werden, daß sie andere zweckmäßige Arten von Leistungsschalter-Vorrichtungen und ähnlichen enthält.

Eine Betrachtung der Fig. 1 macht ersichtlich, daft der erste und zweite Leistungstransistor Q 1 und Q 2 und der dritte und vierte Leistungstransistor Q, und Q₁₁ eine Art von Wheats ton' scher Leistungsbrücke bilden, bei der ein Satz.von diagonal gegenüberliegenden Anschlußpunkten der Leistungsbrücke durch die Verbindungspunkte der Transistoren Q₁ und Q, und der Transistoren Q₂ und Qj₄ gebildet werden, welche über ein Paar von Netsanschlußpunkten 22 und 23 geschaltet sind, die ihrerseits für den Anschluß an eine äußere Quelle elektrischer Energie eingerichtet sind, beispielsweise an eine 28 V-Oleiehetromversorgung in Form eines Akkumulators oder einer ähnlichen 0liehstromquelle. Im gewünschten Falle kann die Schaltung auch mit einer Wechselstromquelle für elektrische Energie verwendet werden und '

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dazu verwendet werden, gewünschte Teile einer Halbperiode des Versorgungswechselstroms auszuwählen. Man erkennt weiterhin aus der Fig. 1, daß der Motor 13 über die restlichen, diagonal entgegengesetzten Anschlußpunkte der Leistungsbrücke in einer solchen Weise angeschlossen ist, daß der Verbraucherstrom durch den

. Motor 13 in einer ersten Richtung geliefert wird, wenn der erste und zweite Leistungstransistor Q₁ und Q₂ stromführend gemacht werden. Wenn der dritte und vierte Leistungstransistor Q, und Qh stromleitend gemacht werden, wird der Verbraucherstrom durch den Verbraucher in der entgegengesetzten Richtung geliefert. Die Leitfähigkeits-Intervalle dieser beiden Sätze von diagonal entgegengesetzten Leistungstransistoren Q₁ und Q₂ oder Q, und Q^ werden dann Impulsbreiten-moduliert (d. h. durch die Impulsdauer gesteuert), um den Gesamt- oder Durchschnittswert des an den Motor 13 gelieferten Stroms zu bestimmen und dadurch sein Drehmoment, seine Geschwindigkeit, usw. zu steuern. Die Drehrichtung des Motors wird dadurch bestimmt, welcher von den beiden diagonal gegenüberliegenden Sätzen von Leistungstransistoren Q₁, Q₂ oder Q,, Q₁^ den Erregerstrom liefert.

Da der dem Motor 13 zugeführte Strom, wie oben in vereinfachter Weise beschrieben, impulsförmig ist, ist es notwendig, ein Hilfsmittel zur Zirkulierung der in den Wicklungen des Motors eingefangenen reaktiven Energie während der Intervalle vorzusehen, in denen die Leistungsschalter-Transistoren Q₁, Q_ oder Qjj Q]j gesperrt sind. Zu diesem Zwecke sind Rückkopplungsdioden D₁, D₂ und D,, D₁^ vorgesehen und parallel zu den entsprechenden Leistungstransistoren Q₁, Q₂ und Q,, Q^ entgegengesetzt gepolt geschaltet. Es ist ebenfalls zu beachten, daß der induktive Strom trotzdem aufgrund des Lenz'sehen Gesetzes weiterfließen muß, wenn die Polarität der Brücke umgekehrt wird, bevor der Strom durch den Motorverbraucher 13 den Wert Null erreicht. Um diesen Fall zu erfassen, gestatten die Dioden D₁ bis D₂. die Entladung der reaktiven Energie zurück zu dem Netzteil und demgemäß muß der Netzteil fähig sein, die induktive Energie des Motors aufzunehmen .

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Der bisher im bekannten Stand der Technik offenbarte PWM-Brücken-Leistungsverstärker 1st im hohen Maße zufriedenstellend für den Antrieb von Servo-Motoren und ähnlichen und schließt eine logische Schaltung zur Sperrung der Ecken und zur Verhinderung der gleichzeitigen Anlegung von Einschaltsignalen an beide Transistoren auf der gleichen Seite der Leistungsbrücke ein. Diese bekannte logische Schaltung zur Torschaltung und zur Sperrung führt auch die doppelte Funktion der Einschaltung der Leistungstransistoren in der unteren Ecke der Leistungsbrücke wie Q₁₄ und Qc bei Abwesenheit irgendeines Bedarfs für eine Antriebsspannung entweder in der Vorwärtsrichtung oder in der Rückwärtsrichtung aus. Durch diese Anordnung könnte der in dem Motor 13 fließende Strom während der Abschaltperioden der Antriebsspannung wieder zirkuliert oder kurzgeschlossen werden, so daß im Endeffekt der Mittelwert des dem Verbraucher zugeführten Stroms gebildet wird, und dieses Betriebsintervall wird oft als Auslaufintervall (coasting) bezeichnet. Diese Technik ist sehr vorteilhaft bei einem Motor als Verbraucher, woes erwünscht ist, den Mittelwert des in dem Motor fließenden Stroms zu bilden und damit den Motor mit konstanter Geschwindigkeit, konstantem Drehmoment usw. anzutreiben. Diese bekannte logische Schaltung zur Sperrung der Ecken verursachte jedoch einen Wettlauf-Zustand bezüglich der Jeweiligen Abschaltzeit eines unteren Transistors, wie Qj. und der Einschaltzeit eines oberen Leistungstransistors wie Q₁ auf der gleichen Seite der Leistungsbrücke. Man wird verstehen, daß bei einem solchen Wettlauf-Zustand ein Kurzschlußzustand existieren würde, wenn der Leistungstransistor in der unteren Ecke wie Q₁^ den Wettlauf verliert und den Motor nicht vor dem Einschalten des Leistungstransistors Q₁ in der oberen Ecke auf der gleichen Seite der Leistungsbrücke abschaltet, und dies würde unerwünschte Stromstöße verursachen, die eine potentielle Zerstörungswirkung für die Leistungsbrücke, insbesondere den Leistungstransistor, enthalten und ihre Zuverlässigkeit verringern usw. Die neue verbesserte Gedächtnis- und Sperrschaltung, die im allgemeinen mit 12 bezeichnet ist, ist so aufgebaut, daß sie diese unerwünschte Eigenschaft überwindet.

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Die logische Gedächtnis- und Sperrschaltung, die allgemein mit der Ziffer 12 bezeichnet ist, ist an ihrem Ausgang an die Steuertore der Jeweiligen Leistungstransistoren Q₁ bis Q^ gekoppelt, wie untenstehend im einzelnen beschrieben, um selektiv erwünschte Leistungs-Halbleitertransistoren Q₁ bis Q₁^ einzuschalten und zu sperren, und dadurch in variabler Weise das Stromdurchgangs-Intervall der Jeweiligen Leistungstransistoren zu steuern und proportional gesteuerte Mengen von Erregerstrom gewünschter Polarität durch den Motor 13 zu liefern. Die Schaltvorrichtung für Qedächtnieepeicherung und Sperrung besteht aus einer Eingangsschaltung zur Feststellung der Polarität, welche eine Meß- M schaltung 31 für den positiven Schwellwert und eine Meßschaltung 32 (detector) für den negativen Sxjhwellwert umfaßt. Die Detektoren 31 und 32 für den negativen und den positiven Schwellwert sind konventionelle handelsmäßig erhältliche monolithische integrierte Schaltkreise, wie z. B. die Schaltung des Typs PuA 710, hergestellt von der Pairchild Camera Company, von Texas Instrument, von ITT u. a., oder irgendein Vielzweck-Differenzveretärker-Chip In Pom» einer integrierten Schaltung, der so ge schaltet wird, daß er als Komparator arbeitet. Zu diesem Zwecke 1st einer der Eingangsanschlüsse des Detektors 31 für den positiven Schwellwert über eine geeignete Anordnung eines Begren- zungswiderStandes und einer Anklammerungsdiode an eine Quelle angeschlossen, welche den von dem Detektor zu verwendenden posi- ^ tiven Schwell spannungswert liefert. In ähnlicher Weise ist einer der Elngangsartechlüise des Detektors 32 für den negativen Schwell wert alt einer Quelle 3¹· für ein negatives Potential über einen geeigneten Begrenzung widerst and und Anklammerungsdiode verbunden, im eine negative Schwellwertspannung für den Betrieb der Schaltung zu erhalten. Die übrigen Eingangsanschlüsse, sowohl des positiven als auch des negativen Schwellwert-Detektors 31 und 32 werden gemeinsam über einen Strombegrenzungswiderstand ' 35 >lt einer Quelle für ein dreieckförmiges Bezugspotential ver- .bunden, welches an den Anschlußpunkt 36 und dann gemeinsam an die beiden Detektoren 31* 32 für den positiven und den negativen Schwellwert geführt wird. Zusätzlich dazu sind die beiden gemein-

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samen Anschlußpunkte der Detektoren 31 und 32 für den positiven und den negativen Schwellwert mit einem Anschlußpunkt 37 verbunden, der mit einer gemeinsamen Quelle für Olelchstrom-Fehlersignale e^ umkehrbarer Polarität und variabler Amplitude verbunden ist. Durch diese Anordnung dienen die Schwellwert-Detektoren 31 und 32 dazu, das Oleichspannungs-Fehlersignal am Eingang mit dem dreieckförmigen Bezugspotential am Eingang zu summieren und ein Ausgangs-Fehlersignal abzuleiten, dessen Wert anzeigt, ob das summierte Eingangs-Fehlersignal zusammen mit dem dreieckförmigen Bezugspotential oberhalb oder unterhalb eines Schwellwertes ist, und die Dauer des Ausgangssignales gibt eine Anzeige für die Größe des Fehlers.

Die Fig. 2 enthält eine Reihe von Spannungs- und Stromkurven, abgetragen über der Zeit, welche veranschaulichen, in welcher Weise die positiven und negativen Schwellwert-Detektoren 31, 32 arbeiten, um Ausgangs-Fehlersignale zu erhalten, deren Größe und Polarität ein Maß für den Erregerstrom sind, der dem Motor 13 durch den PWM-Brücken-Leistunp-sverstärker zugeführt werden soll. Unter der Annahme, daß den Schwellwert-Detektoren 31 und 32 von dem Eingangsanechluß 37 für das Fehlersignal keine Fehlerspannung zugeführt wird, werden die Detektoren so eingestellt, daß der Spitzenwert der dreieckförmigen Bezugsspannung bei einem Wert gerade unterhalb der mit +V_T und -V_T in Kurve (a) der Fig. 2A bezeichneten Schwellwerte liegt. Nimmt man nun an, daß das an dem Eingangsanschluß 37 zugeführte Fehlersignal beispieleweise einen Wert von +e., wie in Kurve (a) von Pig. 2B gezeigt, annimmt, dann wird das aus der Kombination des Oleichstrom-Fehlersignals und der Dreieckwelle bestehende Signal in der Weise angehoben, wie es in Fig. 2B (a) gezeigt ist, so daß ein Teil der positiven Spitze der dreieckförmigen Spannungswelle den positiven SchwellspannungBwert +V_T überschreitet. Als FolitXBfrd der Detektor 31 für den positiven Schwellwert Auegangsspannunge-Impulse erzeugen, wie sie in der Kurve (b) der Pig. 2B gezeigt werden, welche eine positive Polarität und eine Impulsdauer be sitzen, die durch den Wert bestimmt wird, an dem die Dreieckwelle der Bezugsspannung von dem Schwell spannungswert V_n, geschnitten

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wird. Während der Zeltintervalle, in denen der Detektor 31 für den positiven Schwellwert diese Impulsbreiten- modulierten Ausgangsimpulse positiver Polarität entsprechend dem Fehlersignal erzeugt, wird der Ausgang des Detektors 31 von dem Potential Null auf einen positiven Potentialwert angehoben, welcher als Potentialwert für die logische "1" mit einem festen Spannungswert, aber während einer variablen Zeitdauer defiliert werden soll; die Zeitdauer wird dabei durch den Summationswert des Eingangs-Fehlersignales und der dreieckförmigen Bezugsspannung in der Welse, wie in Fig. 2B (a) gezeigt, bestimmt. In ähnlicher Weise arbeitet der Detektor 32 für den negativen Schwellwert, wie in der Fig.-2C (a) dargestellt, und leitet Ausgangs-Fehlersignale ab, die von einem Null-Spannungswert zu einem positiven Spannungswert für die logische "1" gehen, während eines Zeitintervalle, das durch den Schnittpunkt der Schwellwertspannung -V_T mit den negativen Spitzenamplituden der dreieckförmigen Bezugsspannungsquelle bestimmt wird, und die daher eine Wellenform besitzen, die ähnlich den in Fig. 2B (b) gezeigten positiven Fehlerimpulsen ist. Diese Impuls-modulierten Fehlersignale werden selbstverständlich mit der Folgefrequenz der dreieckförmigen Bezugsspannungswelle erzeugt. Man wird jedoch erkennen, daß die Detektorschaltungen 31 und 32 für den positiven und den negativen Schwellwert als Eingangsschaltung zur Feststellung der Polarität wirken und Impulsbreiten-modulierte Eingangs-Steuersignale mit umkehrbarer Polarität liefern, welche die Polarität und" Größe des Erregerstroms anzeigen, der von dem PWM-Brücken-Leistungsverstärker an den Verbraucher geliefert werden muß.

Die Ausgänge der Detektoren 31 bzw. 32 für den positiven bzw. den negativen Schwellwert werden dem Eingang einer ersten logischen Schaltkreisvorrichtung mit einem NAND-Gatter zugeführt. Diese Schaltkreisvorrichtung besteht aus einem Paar konventioneller NAND-Gatter 41 und 42. Die NAND-Gatter 41 und 42 und auch alle anderen untenstehend erwähnten NAND-Gatter sind konventionelle handelsmäßig erhältliche logische Chips der Serie 900 DTL, wie beispielsweise die von den Firmen Faire hi Id Camera Company, Texas Instrument, Motorola, International Telephone and TeIe-

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graph (ITT) und einer Anzahl anderer Hersteller für integrierte Schaltungen hergestellt und vertrieben werden. Das NAND-Gatter 4l ist mit einem seiner Eingänge unmittelbar mit dem Ausgang des Detektors 32 für den negativen Schwellwert verbunden und der verbleibende Eingang ist unmittelbar mit dem Ausgang des anderen NAND-Oatters 42 dieser ersten logischen NAND-Oatter-Schaltung verbunden. In ähnlicher Weise ist ein Eingangsanschluß des NAND-Gatters 42 unmittelbar mit dem Ausgang des Detektors 31 für den positiven Schwellwert verbunden und der verbleibende Eingangsanschluß ist unmittelbar mit dem Ausgang des NAND-Gatters Ml verbunden. Zusätzlich dazu ist der Ausgang des NAND-Gatters über den Leiter 43 mit einer Umkehrstufe 44 verbunden, welche in ihrem Aufbau ähnlich ist wie das NAND-Gatter 4l, jedoch lediglich als Inverter zur Umkehrung eines Eingangssignales des logischen Wertes "O" in ein Ausgangssignal des logischen Wertes "1" oder umgekehrt geschaltet ist. Der Ausgang des Inverters 44 ist über einen Leiter 45 an die Basiselektrode eines Treibertransistors 46 angeschlossen, welcher seinerseits so geschaltet ist, daß er den Leistungstransistor Q, der ersten Stufe in der oberen rechten Ecke der Leistungsbrücke ansteuert oder einschaltet. In ähnlicher Weise ist der Ausgang des NAND-Gatters 42 über einen Leiter 48 an eine Umkehrschaltung 49 geführt, deren Ausgang über einen Leiter 51 an die Basiselektrode eines zweiten Treiberverstärkers 52 geführt ist, der den Leistungstransistor Q₁ der ersten Stufe in der oberen linken Ecke der Leistungsbrücke ansteuert oder einschaltet.

Die Tabelle für die logischen Schaltzustände der NAND-Gatter 4l und 42 und im weiteren Sinne für alle hier beschriebenen ' NAND-Gatter wird in der linken unteren Ecke der Pig. I zusammen mit einer Skizze eines der NAND-Gatter wiedergegeben, in der die beiden Eingangsklemmen des NAND-Gatters mit X und Y und der Ausgangsanschluß des NAND-Gatters mit Z bezeichnet sind. Aus einer Betrachtung der Tabelle wird ersichtlich, daß, wenn beide Eingangsanschlüsse X und Y Eingangssignale von O V besitzen, wobei dieser Zustand als der "O"-Zustand bezeichnet werden soll, der Ausgangsanschluß Z eine positive Ausganga-

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Spannung erzeugen wird, die als der "!."-Zustand definiert wird. Andere Kombinationen von Eingangssignalen an den Eingangsanschlüssen X und Y werden in der Tabelle ebenfalls wiedergegeben. Nur wenn die beiden Einprangsanschlüsse A und B ein positives Eingangssignal des Zustandes "1" besitzen, erhält man ein Ausgangssignal des Zustandes "0". Aus der Betrachtung dieser Tabelle und der wechselseitigen Verbindung der beiden NAND-Gatter Ml und 42, welche die erste logische NAND-Gatter-Schaltung bilden, ist ersichtlich, daß nur eines oder das andere der beiden NAND-Gatter in der Lage let, ein Ausgangssignal 0 zu liefern und daß in diesem Falle das andere NAND-Gatter notwendigerweise ein Ausgangssignal 1 erzeugen muß infolge der Rückkopplunttsverbindung an seinen Eingangsanschluß von dem Ausgang des anderen NAND-Gatters. Man wird ebenso verstehen, daß, wenn eines der NAND-Gatter ¹Il und *2 ein Ausgansrssignal des Zustandes "O" erzeugt, infolge der durch die Umkehrschaltungen 44 und 49 erhaltenen Umkehrung entweder der obere linke oder der obere rechte Leistungstransistor Q₁ oder Q, eingeschaltet und stromleitend gemacht wird, und der andere der Lelstuncrstransistoren Q₁ oder Q, wird im auegeschalteten Zustand gehalten. Als Folge davon wird der Stromdurchgang in einer einzigen der Halbleiter-Leistungsvorrichtungen der oberen Hälfte der Leistungsbrücke, entweder in Q. oder in Q,, gestattet und der gleichzeitige Stromdurchgang in beiden oberen Halbleiter-Steueranordnungen Q₁ und Q, der oberen Hälfte der Leistungsbrücke wird infolge der durch die ersten NAtfD-Oatter-Logik-Module M und 42 gelieferten Verriegelung Terhindert. Auf diese Weise wird gewährleistet, daß BU einem gegebenen Zeitpunkt der Stromfluß durch den Verbraucher nur in einer Richtung erfolgen kann.

Der Ausgang jedes der beiden ersten NAND-Gatter ¹Il und 42 wird ebenfalls mit einer aus NAND-Gattern bestehenden logischen Gedächtnisschaltung verbunden, die aus einem zweiten Satz von untereinander verbundenen NAND-Gattern 6l und 62 besteht. Ein Eingangsanschluß des NAND-Gatters 61 1st unmittelbar mit dem Ausgang des NAND-Gatters 4l verbunden und der andere Eingangs-

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anechluß ist unmittelbar mit dem Ausgang des NAND-Gatters 62 verbunden. In ähnlicher Weise ist ein Eingangsanschluß des NAND-Gatters 62 unmittelbar mit dem Ausgang des NAND-Gatters 42 verbunden, und der verbleibende Eingangsanschluß ist unmittelbar mit dem Ausgang des NAND-Gatters 6l verbunden. Als Folge dieser Verbindung untereinander bilden die NAND-Gatter 6l und 42 ein bistabiles Gedächtniselement, welches in dem Schaltzustand verbleibt, in dem es durch ein entweder von dem NAND-Gatter 4l oder von dem NAND-Gatter 42 geliefertes Eingangssignal geschaltet wurde, wie nachstehend im einzelnen erläutert wird. Der Aus*

ψ gangsanschluß des NAND-Gatters 6l ist über einen Leiter 63 und durch eine Zener-Diode 64 mit der Basiselektrode dee zweiten Leistungstransistors Qj. verbunden, welcher die untere linke Ecke der Leistungsbrücke ansteuert und der Ausgangsanschluß des NAND-Gatters 62 ist über den Leiter 65 durch eine Zener-Diode 66 mit der Basiselektrode des Leistungstranslators Q₂ verbunden, welcher die untere rechte Ecke der Leistungebrücke ansteuert. Man wird daher verstehen, daß aufgrund der Gedächtnis-Speicherfähigkeit der bistabilen Flip-Flop-Schaltung, welche durch die untereinander verbundenen NAND-Gatter 61 und 62 gebildet wird, diese NAND-Gatter dazu dienen werden, ein die Einschaltung möglich machendes Potential an dem Steuertor oder an der Basis entweder des zweiten Q₂ oder des vierten Leistungs-

^ transistors Q^ aufrecht zu erhalten, um diese Leistungsvorrichtung stromdurchlässig zu halten, solange eine Notwendigkeit besteht, Verbraucherstrom durch den Motor 13 zu zirkulieren. Die Notwendigkeit für diese Fähigkeit wird noch deutlicher werden aus der nachstehenden ausführlichen Erörterung der verschiedenen Betriebsweisen des PWM-Brücken-Leistungsverstärkers. Es ist Jedoch zu beachten, daß wegen der oben erwähnten Gedächtnisfähigkeit der untereinander verbundenen NAND-Gatter 6l und 62 die Halbleiter-Leistungsvorrichtung (entweder Q₂ oder Q₁₄), welche vorher stromleitend gewesen war, um während eines Einschalt-Intervalles der Auseteuerspannung Strom durch den Verbraucher zu liefern, so lange stromführend bleibt, bis eine Umkehr des Stroms durch den Verbraucher er-

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forderlich wird und damit die bistabile Speichervorrichtung, welche aus den untereinander verbundenen NAND-Gattern 61 und 62 besteht, veranlaßt wird, ihren Schaltzustand zu ändern.

Um jegliche mögliche "Wettlauf-Bedingung, die während der Stromumkehr durch den Motor auftreten könnte, zu vermeiden, sind in die Ausgänge der ersten logischen Schaltkreisvorrichtung mit NAND-Gattern, welche au3 den NAND-Gattern ¹Il und 42 besteht, Verzögerungsvorrichtungen eingefügt, um die Zufuhr des Einschaltpotentials an den ersten und den dritten Leistungs- ■ halbleiter Q₁, Q_la und Q,, Q- während einer vorgegebenen Zeit- dauer zu verhindern, die ausreichend ist, um zu gewährleisten, daß entweder der vierte Qh, Q^ oder der zweite Leistungshalbleiter Q₂, Qp_a auf der gleichen Seite der Leistungsbrücke ausgeschaltet ist. Diese Verzögerungsvorrichtung umfaßt einen Kondensator 68, der über die Basis-Kollektorstrecke des Steuertransistors 52 geschaltet ist und einen.Kondensator 69, der über die Basis-Kollektorstrecke des Steuertransistors 46 geschaltet ist. Die Verzögerungskondensatoren 68 und 69 dienen dazu, während der Stromumkehr eine ausreichende zeitliche Verzögerung in der Zufuhr der Einschaltpotentiale zu dem Transistor in der oberen Ecke einzuführen, wie nachstehend näher im Zusammenhang mit der detaillierten Erklärung der Gesamtbetriebsweise des ύ PWM-Brücken-Leistungsverstärkers beschrieben wird.

Der grundlegende Vorgang in dem oben beschriebenen PWM-Brücken-Leistungsverstärker besteht darin, daß ein Eingangs-Gleichspannungs-Fehlersignal mit einer dreleekförmigen Bezugsspannung gemischt wird und das resultierende Ausgangssignal den Eingängen eines Paares von Schwellwert-Detektoren zugeführt wird. Die Schwellwert-Detektoren arbeiten dann über das Gedächtnisspeicher für die Einschaltung und die logische Schaltung für die Sperrung und erzeugen eine Folge von Spannungsimpulsen, deren Einsehaltzelt und Polarität proportional der Amplitude und der Polarität des Eingangssignals sind. Die Einfügung von

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Rückkopplungsdioden, die mit umgekehrter Polarität angeschlossen sind, über Jeden der gesteuerten Halbleiter-Leistungstransistoren Q₁, Q_la usw. liefert einen dynamischen Kurzschlußweg für den Motor während der Ausschaltzeit der Folge von Antriebsimpulsen, um das Abklingen des induktiven Stroms zu gestatten. Dieser Kurzschlußweg bewirkt, daß die mittlere Spannung über dem Motor unmittelbar der Einschaltzeit der Leistungstransistoren proportional ist und ergibt eine ausgezeichnete Linearität der übertragungsfunktion für den Gesamt-PWM-Brücken-Leistungsverstärker. Die Amplitude der dreieckförmigen Bezugsspannungswelle wird so eingestellt, daß sie ungefähr gleich dem Schwellwert für die Schwellwert-Detektoren ist, so daß kein wesentlicher Überlappungsbereich im Null-Zustand des Brücken-Leistungsverstärkers vorhanden ist. Diese Eigenschaften ergeben eine im hohen Maße wirksame Leistungssteuerung durch die Ein-Aus-Betriebsweise der Leistunpstransistoren und gestatten die Verwendung einer Primärkraftquelle in Form eines einzigen Akkumulators, ohne einen großen Umwandler zu erfordern. Der Verstärker benötigt in dem Zustand der Betriebsbereitschaft nur eine geringe Leistung, da unter diesen Bedingungen kein Gleichstrom oder Wechselstrom in dem Verbraucher fließt. Die Gleichstrom-Übertragungsfunktion kann durch die Konstruktion auf eine Linearität von besser als 1 % gebracht werden mit einer vernachlässigbaren Totzone, wie oben erwähnt. Die Schaltfrequenz Kann so hoch sein wie es erwünscht ist. Sie wird nur begrenzt durch die Schaltgeschwindifrkeit der Transistoren, da die Induktivität des Verbrauchers die Schaltfrequenz nicht begrenzt. Dies ergibt eine vernachlässigbare Phasenverschiebung (sampling phase shift) in Servo-Systemen mit hoher Bandbreite und gewähr^ leistet auch, daß infolge der hohen Schaltfrequenz ein Mindestmaß an Wechselstromheizung in dem Motor auftritt. Infolge all dieser Eigenschaften der guten Linearität, der vernachlässigbaren Totzone und der vernachlässigbaren Phasenverschiebung, kann der PWM-Brücken-Leistungsverstärker zum Zwecke der Analyse des Steuersystems als linearer Gleichstromverstärker betrachtet

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werden und gestattet die konventionelle Anwendung von Analyseverfahren auf der Grundlage von einem Bode-Diagramm oder von Ortekurven.

Ee gibt vier mögliche Betriebszustände für den PWM-Brücken-Leietungeveretärker und das Auftreten Jedes Betriebszustandes wird bestimmt durch den kombinierten Wert der am Eingang vorhandenen dreieckförmlgen Bezugsspannungswelle plus der Signalfehlerspannung e^_t bezogen auf die Schwellspannungswerte +V_T oder -V«. Wie bereite früher festgestellt, befindet sich das -Ausgangesignal von beiden Schwellwert-Detektoren 31 und 32 auf " dem logischen Wert "O", wenn der kombinierte Wert der Pehlersignalspannung und des dreieckförmigen Bezugspotentials unterhalb der positiven Schwellwert spannung (+Vm) und oberhalb der negativen Schwellwertspannung (-V™) ist. Wenn die kombinierte Fehlersignalspannung und das Potential der dreieckförmigen Be-Eugsspannungewelle den positiven Schwellwert der Spannung (+V-) überschreiten, dann geht der Ausgang des Schwellwert-Detektors 31 auf die logische "1" und bleibt dort während der Zeltdauer, während der der Schwellwert der Spannung (+V_T) Oberschritten wird. In ähnlicher Welse geht der Ausgang des Detektors 32 für den negativen Schwellwert auf den logischen Wert "1", wenn der Gesamtwert des Fehlersignals e^ und des λ

dreieckförmigen Bezugspotentials unterhalb den negativen Schwellwert der Spannung (-V«) absinkt und bleibt dort so lange wie der Gesamtwert unterhalb dem negativen Schwellspannungswert bleibt.

Wenn Man diese oben aufgeführten möglichen Situationen der Steuerung berücksichtigt, kann die Arbeitsweise des PWM-Brücken-Leistungsverstärkers dann durch die vier folgenden Möglichen Betriebssustfinde hindurch verfolgt werden. Wenn da· Eingangssignal e^ plus die dreieckförmige Spannung negativer werden als (-Vm) * dann schalten sich die Leistungstransistoren Q, und Qh ein, und der Strom durch den Motor baut sich mit einer Geschwindigkeit auf, welche durch die

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induktive Zeitkonstante der Motorschaltung bestimmt wird. Danach wird der gemeinsame ttert des Eingangs-Pehlersignals plus der dreieckförmigen Bezugsspannung unter den Wert (-V™) absinken, so daß der Leistungstransistor Q, abschaltet* Infolgeder Gedächtnis-Speicherfähigkeit des zweiten Satzes von untereinander verbundenen NAND-Schaltungen 6l und 62 wird der Leistungstransistor Qi₁ weiter eingeschaltet gehalten. Während dieses Zeitraums (d. ft. zwischen Jeder Zuführung der positiven Steuerspannung - beide Leistungs-Halbleiter Q, und Q^ sind dann stromleitend) wird Q^ eingeschaltet gehalten , und der Motorstrom wird sich durch die dynamische Kurzschlußschaltung entladen, die Qj, und die Rückkopplungsdiode D₂ umfaßt. Wiederholte Zyklen des ersten Betriebszustandes, in dem sowohl Q, und Q₁₄ eingeschaltet sind, gefolgt von dem zweiten Betriebszustand, in dem der Strom durch Q^ und Dp fließt, bewirken, daß der Mittelwert des Stroms durch den Motor bei einem.konstanten Eingangsfehlersignal e^, das einem bestimmten Arbeitszustand des Motors entspricht, einen konstanten Wert erreicht. Die Wechselstromkomponente des Stroms durch den Motor wird klein sein, insbesondere dann, wenn das Verhältnis der Induktivität des Motors zu seinem Widerstand groß ist im Vergleich zu der Periode der dreieckförmigen Bezugsspannungswelle. Während er auf diese Welse betrieben wird, wird der Motor 13 als in der entgegengesetzten Richtung angetrieben betrachtet.

Wenn der Wert des Eingangs fehlersipoials e^ und des dreieckförmigen Bezutrspotentials zusammengenommen den Schwellwert (+V₁J₁) übersteigt, werden die Leistungstransistoren Q₁ und Q₂ eingeschaltet und verursachen einen dritten Betriebszustand, in dem eine Antriebsspannung mit einer Polarität für die Vorwärtsrichtung über den Motor 13 gelegt wird. Wenn der Summenwert des Eingangsfehlersignale (e_±) und des dreieckförmigen Bezugspotentials kleiner als C+V_T) wird, dann wird der Leistungstransistor Q₂ eingeschaltet gehalten und der Transistor Q₁ wird abgeschaltet. Der reaktive Strom durch den Motor wird dann durch den Kurzschlußweg kreisen, der aus dem Leistungs-

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transistor Q₂ und der Rückkopplungsdiode D₁J besteht. Dies ergibt den vierten-Betriebszustand des PWM-Brüeken-Leistungsverstärkersi Es 1st zu beachten, daß der induktive Strom weiterfließen muß ₉ wenn die Polarität der Leistungsbrücke vor dem Zeit punkt umgekehrt wird,, an dem der Strom durch den Motor einen Nullwert erreicht. Die Dioden D^ oder D, zusammen mit den Dioden D₂ und D^ gestatten die Rückführung dieser reaktiven Energie in den Netzteil und daher muß der Netzteil in der Lage sein, die reaktive Energie des Motors aufzunehmen.

Die Einschalt-Gedächtnis-Schaltung und die logische Sperrschaltung werden allgemein bei 12 in Fig. 1 gezeigt. Obwohl sie den Betrieb der Leistungsschaltung in jeder der vier oben beschriebenen Betriebsweisen gestatten,- ist ihre Arbeitsweise noch nicht im einzelnen beschrieben worden. Bei der Betrachtung der oben aufgeführten Betriebszustähde für den PWM-Brüeken-Leistungsverstärker^jist zu bedenken, daß wegen der Gedächtnis-Speicherfähigkeit des zweiten Satzes, von untereinander verbundenen NAND-Gattern 6-1 und .62 entweder der eine oder der andere der beiden unteren Leistungstransistoren Q^ und Q_{2 3} wie zuvor beschrieben, im stromleitenden Zustand gehalten wird. Zur Erleichterung der nachfolgenden Beschreibung sei angenommen, daß infolge des vorhergehenden Betriebes der Leistungsbrücke der Leistungstransistor Qj, derjenige Transistor ist, welcher den Strom führt. In diesem,Falle wurde der Satz von untereinander verknüpften NAND-Gattern 61 und 62 so betätigt-, daß am Ausgang des NAND-Gatters 61 ein Ausgangssignal für die logische "1" erscheint und am Ausgang des NAND-Gatters 62 ein Ausgängssignal für eine logische "O" erscheint.

Unter den oben angegebenen Voraussetzungen sei weiterhin angenommen, daß der Ausgang von beiden Schwellwert-Detektoren 31 und 32 In dem bestimmten in Betracht gezogenen Zeitpunkt 0 V ist. Dies wird als der ^UQ"-Zustand definiert und die Ausgänge „ der Detektoren 31 und 32 werden mit A.bzw, B bezeichnet. Für. \ diesen Betriebszustand haben die beiden ersten untereinander

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BAOORIÖINAL

verknüpften NAND-Gatter- 41 und 42, mit Gatter Nr. 1 und Gatter Nr. 2 bezeichnet, eine Ausgangsspannung positiver Polarität, die als der "1"-Zustand definiert wird. Wie oben angenommen, werden die Ausgängssignale des zweiten Satzes von untereinander verknüpften NAND-dattern 6lund 62 (mit Gatter Nr. 3 und Gatter Nr. 4 bezeichnet) infolge ihrer Verknüpfung als Fllp-Flop-Gedächtnisspeicher eine Funktion ihres vorherigen Betriebszustandes sein. Daher wird der Ausgang am NAND-Gatter 61 (Gatter Nr. 3) ein Wert "1" sein und der Ausgang am NAND-Gatter 62 (Gatter Nr. 4) ein Wert "O" sein. Die Gatter 44 und 49 (als Gatter Nr. 5 und Gatter Nr. 6 bezeichnet) arbeiten als ümkehrschaltungen und werden daher einen Ausgang "0" unter den angenommenen Bedingungen haben. Daher wird keinem der oberen Leistungstransistoren in der oberen Hälfte der Brücke ein Einschaltsignal zugeführt und nur ein Transistor in der unteren Ecke (nämlich Q₁^) wird stromführend sein und wird zusammen mit der Diode Dp den Strom durch den Motor zirkulieren. Die verschiedenen Ausgangszustände für die verschiedenen NAND-Gatter und Schwellwert-Detektoren und auch 3er Leitfähigkeitszustand der Leistungstransistoren Q. bis Qj. sind in der untenstehenden Tabelle 1 für diesen angenommenen Betriebszustand aufgeführt.

	B	1	2	Tabelle 1	^Q2	^Ql	^Q3
	0	1	1	^Q4	4	5	6
A			3	O	0	O
0			1

Als nächstes sei angenommen, daß der zusammengefaßte Wert des Eingangs-Fehlersignals e^ und der dreieckförmigen Bezugspotentialwelle den negativen Schwellwert V^ in der Weise übersteigen, wie es in Fig. 20 (a) gezeigt wird. Wenn dies auftritt, dann geht während begrenzter Zeitintervalle der umgekehrten Steuerspannung der Ausgang B des Schwellwert-Detektor3 32 auf den logischen Wert "1", so daß während dieser Intervalls für die umgekehrte Antriebsspannung die Ausgangszustände der logischen Schaltung auf die in der Tabelle 2 untenstehend wiedergegebenen Werte umschalten.

ooseai/ms

t ' BAD ORIGINAL

ο i ο iio ο ι

Aus einer Betrachtung der Tabelle 2 entnimmt man, daß während des Intervalls, in dem der negative Schwellwert -y_T überschritten wird* der Verbraucherstromdurch den Motor 13 vom Leietungeträneiator Q, durch den Motor und von da aus durch den Leistungstransistor Qj, fließt. Wenn der Arbeitszyklus zu dem "Aus"-Zustand geht, dann wird in diesem Intervallen der negative Schwellwert -V- nicht mehr überschritten und die logische Schaltung geht in die in Tabelle 1 angegebenen Schalt-.-zustande zurück. Es hat sich dennoch in der induktiven Motorlast "Ij. ein Strom aufgebaut. Um die weitere Leitung dieses Stroms su gestalten, wird der Leistüngstransistor Qj. in der unteren Ecke eingeschaltet gehalten und die Diode Ppi welche Über den Leistungstransistor Q₂ geschaltet ist, nimmt den Vorher durch den LeistUhgstransistor Q, in der oberen rechten Ecke während des Intervalls der Antriebsspannung zugeführten Strom auf, so daß der abklingende Strom (coasting current) durch die Motoriast in der Weise zirkuliert wird, wie es durch die gestrichelten Linien in Flg. 2C (c) dargestellt wird. Dies liefert den dynamischen Kurzschlußweg für den abklingenden Strom durch die Motorlast während der Zeltintervalle, in denen die Antriebsspannung abgeschaltet ist■-.· Es wird auch ersichtXich, daß der ssweite Satz von untereinander verknüpften NAND-Oattern 6l und 62 als Gedächtnisspeicher dient, wenn der Eingang «wischen dem Wert O und -V^ (negativer Schwellwertspannungswert) geschaltet wird und dazu dient, denjenigen^der Leistungstransistoren Q₂ oder Qi₄ In der unteren Ecke ein gej^i halten, nelcher vorher stromführend war, so daß leiJPiebszustand für das Zirkulieren des; abklingendenr.Aus- und seinen Kurzschluß ermöglicht wird!.

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Als nächstes sei angenommen, daß das Eingangsgleichepannungsfehlersignal die Umgebung des negativen Schwellwert es -V,p verläßt, ohne durch den Schwellwert hindurchzugehen und dann auf den positiven Schwellwert +V^₁ und über ihn hinausgeht. Wenn dies eintritt, dann nehmen die Schaltzustände der verschiedenen NAND-Gatter und Leistungstransistoren in der PWM-Leistungsbrücke folgende Werte ein.

Tabelle	3	«2	^Ql	^Q3
Qi₁		H	1	6
1

Wenn der PWM-Brücken-Leistungsverstärker sich in dem in Tabelle wiedergegebenen Betriebszustand befindet, dann wird nach dem Abklingen des Schaltstoßes sich der Strom durch die Motorlast 13 umgekehrt haben. Die Verriegelungswirkung der untereinander verknüpften ersten NAND-Gatter ¹H und 42 wird offensichtlich, wenn der Betriebszustand angenommen wird, indem die Ausgänge von beiden Schwellwert-Detektoren 31 und 32 sich auf dem logischen Wert 1 befinden. Unter einem solchen unwahrscheinlichen Zustand wird entweder das NAND-Gatter Ml oder das NAND Gatter 42 zuerst seinen Ausgang auf den logischen Wert "O" schalten, infolge der Unterschiede in den Schwellwertempfindlichkeiten der Gatter oder des vorhergehenden Eingangszustandes usw. Wenn dies einmal geschehen ist, dann würde die Rückkopplung von dem zuerst eingeschalteten NAND-Gatter den anderen Ausgang in dem logischen Schaltzustand "1" verriegeln. Dies gewährleistet dann die Arbeitsweise unter den angegebenen Bedingungen und verhindert direkt eine mögliche Beschädigung infolge des Einschaltens beider Leistungstransistoren auf der oberen Seite der Brücke.

Die vorübergehenden Stoßzustände, die in der Schaltung während ihrer verschiedenen Betriebsweisen auftreten, werden am.beeten verständlich, indem man die Situation in Betracht zieht, die

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auftritt, wenn die äußeren Schaltkreisbedingungen erfordern, daß der Motorstrom ""umgekehrt wird. Zum Zwecke der Erörterung sei angenommen, daß der Strom ursprünglich von dem Eckentransistor Q-i durch den Motor und von da aus durch den unteren Eckentransistor Qh fließt. Die Schaltaustände der verschiedenen NAND-Gatter und Leistungstransistoren unter diesen angenommenen Betriebsbedingungen werden dann wiedergegeben durch Tabelle; 2. Der erste Schritt, der zur umkehrung der Strömungsrichtung des Motorstromes erforderlich- ist, besteht darin, daß die Eingangsspannung in den Totbereich oder in den Bereich für den Ausgang O ^ geht. Wenn dies eintritt, dann wird der rechte obere Transistor 4| Q-Z gesperrt. Der Transistor Q^ in der unteren linken Ecke der ι Brücke wird jedoch durch den bistabilen Flip-Flop-Gedächtnisspeicher eingeschaltet gehalten, welcher die untereinander verknüpften NAND-Gatter 61 und 62 umfaßt. Die Konstruktion ist so ausgelegt, daß die Abschaltzelt der oberen Leistungstransistoren' Q₁ und Q, viel kürzer ist als die normalerweise erforderliche Zeit, die der Servo zur Umkehrung der Soll-Polarität benötigt; dies gilt sogar unter Berücksichtigung der durch die Kondensatoren 68 und 69 gegebenen Verzögerung. Demgemäß wird bei abgeschaltetem oberen Leistung'stransistor Q, die Schaltung, die in Tabelle 1 für den Abklingzustand angegebenen Schaltzustände einnehmen. Wenn das Eihgangsfehlersignal und die damit kombi- \m nierte dreieckförmige Bezugspannungswelle den positiven Schwellwert überschreiten, dann geht der Ausgang des Detektors 31"In den Zustand "1" und die Schaltung beginnt die in Tabelle 3 aufgeführten Sehaltzustände einzunehmen. Die Verzögerung in der Einschaltung des oberen Leistungstransistors Q₁, welche durch die Anwesenheit des Verzögerungs-Kondensators 68 gegeben ist," wird groß genug sein, um zu gewährleisten, daß vor dem Einsehalten von Q₁ der Transistor Q^ in der unteren linken Ecke abschaltet. Dies gewährleistet, daß keine vorÜbergehendenKurzschlüss® in der Brücke auftreten, welphe sonst die Leistungsbrücke? oSlr^ö^Te Zuverlässigkeit beeinträchtigen könnten.

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Ein weiterer Übergangszustand, der in Betracht gezogen wird und für den Vorkehrungen getroffen werden müssen, tritt beim ursprünglichen Einschalten des Netzteils ein. Um diesem Übergangszustand gerecht zu werden, sind in die Basissteuerschaltung der unteren Leistungstransistoren Qo und Q₁, die Zener-Dloden 64 und 66 eingefügt. Diese Zener-Dioden liefern einen Schwellwert für die Einschaltung, so daß der zweite Satz von verknüpften NAND-Gattern 6l und 62 seine logischen Schaltzustände einnimmt, bevor eine genügende Antriebsspannung verfügbar ist, um beide unteren Transistoren Qo und Qj, einzuschalten. Dieser Gesichtspunkt ergibt Jk auch einen Schutz im Falle eines Ausfalls deren Netzversorgung.

Der neue und verbesserte PWM-Brücken-Leistungsverstärker in der beschriebenen Ausführungsform ist primär für die Verwendung mit Kompaßbügel-Servos für Trägheitssteuerung (Inertial guidance gimbal servos) konstruiert worden, welche eine Ausgangsleistung von etwa 50 bis 200 Watt benötigen. Jedoch kann eine einfache Umkonstruktion der Ausgangsstufe den Verstärker an eine beliebige gewünschte Leistung anpassen und der Verstärker könnte erweitert werden auf die Steuerung von Torsionsmotoren für direkten Antrieb mit 10 kW und ähnliche Motoren. Obwohl in der vorstehenden Beschreibung ein PWM-Brücken-Leistungsverstärker enthalten ist, der mit Hilfe von Leistungstranistoren hergestellt ist, 1st W es offensichtlich, daß in dieser Schaltung durch entsprechende Modifikationen, die für den Fachmann aufgrund der oben gegebenen technischen Lehre offensichtlich sind, andere als Schalter wirkende Halbleiter-Leistungsvorrichtungen, wie beispielsweise GTO's gesteuerte Siliziumgleichrichter (SCR) usw. verwendet werden können.

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Claims

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■■■■. Λ -." "■-■'"■"■ - ν ■ ■■--..■■ --27 - ■ .\ - -'' ' Patentansprüche

Impulsbreiten-modullerter BrÜcken-Lelstungsverstärker mit Gedächtnisspeicher und Sperr-Loglk, der mindestens erste Q₁ und zweite Q₂ und dritte Q₇ und vierte Q^ gesteuerte Halbleiter-Lei stungsvorrichtungen enthält, die in Form einer Wheatston' sehen Brücke untereinander go verbunden sind, daß ein Satz der diagonal gegenüberliegenden Ansehlußpunkte der Brücke über ein Paar von Netsanschlußpunkten (22, 23) geschaltet sind, die ihrerseits über eine Quelle für elektrische Energie (+V)

geschaltet sind und ein elektrischer Verbraucher (13) über das andere Paar der diagonal gegenüberliegenden Anschlußpunkte der Brücke geschaltet ist, wobei die Brückenschaltung so beschaffen ist j daß der Verbraucherstrom durch den Verbraucher (13) In eine Richtung geführt wird, wenn die erste (Q₁) und zweite (Qg) Hälblelter-Lelstungsvorrichtung stromdurchlässig gemacht werden, und der Strom durch den Verbraucher (13) in der entgegengesetzten Richtung geführt wird, wenn die dritte (Q,) und vierte (Q^) Halbleiter-Lelstunp-svorrichtung stromäurchlässip¹ gemacht werden, wobei an die jeweiligen Steuerelektroden der gesteuerten Halbleiter-Leistungsvorrichtuntren Steuervorrichtungen (12) angekoppelt sind, die selektiv die gewünschten Haibleiter-Beistungsvorrichtungen einschalten bzw. sperren, wodurch die Leltfähigkeitslntervalle variabel steuerbar sind und proportionale gesteuerte Mengen von Erregerstrom einer gewünschten Polarität durch den Verbraucher geliefert werden, dadurch ge ken η ζ ei c h n et , daß die Torschalt-Vorrichtung (12) Eingangsschaltungen (31, 32) sur Bestiinmüng der Polarität umfaßt, welche Impulsbreiten-modülierte Einrangssteuersienale mit umkehrbarer Polarität liefern, welche die Polarität und die Größe des dem Verbraueher (13) zuzuführenden Erregerstroms anzeigen, sowie eine erste logische Gedächtnisschaltung mit NAND-Gattern (.*!,'**i 12, 49), die mit der Eingangsschaltung (31, 32) verbunden und so beschaffen ist, daß sie eine ausgewählte Halbleiter-LeistungsvDrrichtung, entweder aus dem Satz der

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ersten (Q₁) und zweiten (Qp) Vorrichtung oder dem Satz der dritten (Q,) und vierten (Qh) Vorrichtung einschalten kann, um den Erregerstrom durch die Last (13) In einer vorgegebenen Richtung zu liefern, und den Stromdurchgang durch den übrigen Satz von Halbleiter-Vorrichtungen zu sperren, sowie eine zweite logische Gedächtnis-Speicherschaltung mit NAND-Gattern (61," 62), die mit der ersten logischen Schaltung mit NAND-Gattern (4l, 42, 44, 49) verbunden ist und ein die Einschaltung ermöglichendes Potential an die Steuerelektrode der restlichen Halbleiter-Leistungsvorrichtung in dem ausgewählten Satz der ersten (Q₁) und zweiten (Q₂) oder dem ausgewählten Satz der dritten (Q,) und vierten (Qn) Halbleiter-Leistungsvorrichtung liefert, entsprechend der Richtung, in der der Verbraucherstrom durch den Verbraucher (13,) fließen soll, wobei die zweite logische Gedächtnisschaltung mit NAND-Gattern (61,62) dazu dient, die Zufuhr eines die Einschaltung ermöglichenden Potentials zu dem Steuertor der letzteren Halbleiter-Leistunpsvorrichtung aufrechtzuerhalten und zu speichern, um diese Vorrichtung leitfähig· zu halten und dadurch zwischen den frepulsten Leitfähip-keits-Intervallen der beiden Halbleitervorrichtungen in dem ausgewählten Satz den Verbraucherstrom durch den Verbraucher zu zirkulieren.
2. Impulsbreiten-modulierter Brucken-Leistunpsvertetarker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Verbraucher (13) induktiv ist und parallel zu jedem der gesteuerten Halbleiter-Leistungsvorrichtungen umgekehrt gepolte Rückkopplungs-Halbleiter-Leistungsdioden (D₁, Dp, D,, Djj) g-eschaltet sind.
3. Impulsmodulierter Brücken-Leistungsverstärker nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die gesteuerten Halbleiter-Leistune-svorrichtunsren (Q₁, Q_?, Q.., Q₁.) Leistungstransistoren umfassen.

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Impulsbreiten-modulierter BrÜQken-Leistungsverstärker nach Anspruch 1, dadurch g e k .e η η ζ e i c h η e t , ' daß er VerzögerungsvQrrlchtungen (68, 69) aufweist, die in den Ausgang der ersten logischen Schaltung mit NAND-Gattern (4l, 42) eingefügt sind und die Zuführung der Einschaltpotentiale an die ausgewählte Halbleiter-Leistungsvorrichtung, welche entweder zu dem aus der ersten (Q^) und zweiten (Q₂) Vorrichtung bestehenden Satz; oder zu dem aus der .dritten (Q-,) und vierten (Q^) Vorrichtung bestehenden Satz gehört, während einer vorgegebenen Verzögerungszeit verzögert, die groß genug ist, um·die Abschaltung der Halbleiter'-Leistungsvorriehtung des anderen Satzes auf der gleichen Seite der Leistungsbrücke zu · gewährleisten,

Impulsbreiten-modulierter Brücken-Leistungsverstärker nach Anspruch 4, dadurch g e k e η η ζ e i c h η e t , daß die erste logische Schaltung mit NAND-Gattern (4.1, 42) einen ersten Satz von untereinander verknüpften NAND-Gattern ' . (4l, 42) enthält, von denen jeweils ein Eingangsanschluß mit einem Ausgang der Eingangsschaltungen (31, 32) zur Bestimmung der Polarität verbunden ist und ein zweiter Eingangsanschluß mit dem Ausgang des anderen NAND-Gatters (41, 42) verbunden ist, wobei die jeweiligen Ausgänge des ersten Satzes von verknüpften NAND-Gattern ebenfalls ep geschaltet sind, daß sie eine Halbleiter-Leistungsvorrichtung entweder aus dem Satz der ersten (Q^) und zweiten (Q₂) Vorrichtung oder aus dem Satz der dritten (Q,) und vierten (Q^) Vorrichtung einschalten und den Stromdurchgang des anderen Satzes verriegeln und dadurch zu jedem gegebenen Zeitpunkt den Durchgang des Stroms durch den Verbraucher (13) in einer einzigen Richtung gewährleisten, und daß die zweite logische. Gedächtnisschaltüng mit NAND-Gattern einen zweiten Satz von miteinander verknüpften · NAND-Gattern (61, 62) umfaßt, von denen jeweils ein Eingangsanschluß mit einem Ausgang.jeweils eines des ersten Satzes von verknüpften NAND-Gattern (41, 42) verbunden ist und ein zweiter Eingangöanschluß mit dem Ausgang des anderen NAND-Gatters (6l, 62) in diesem zweiten Satz verbunden ist, sowie die Aus-

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gänge des zweiten Satzes verknüpfter NAND-Gatter ebenfalls
mit den jeweils restlichen Halbleiter-Leistungsvorrichtungen entweder des aus erster (GL) und zweiter (Q₂) Vorrichtung bestehenden Satzes oder des aus der dritten (Q,) und vierten
(Qj.) Vorrichtung bestehenden Satzes verbunden sind, um eine
der verbleibenden Vorrichtungen in jedem Satz gemäß der Richtung selektiv einzuschalten, in der der Verbraucherstrom durch den Verbraucher zirkulieren soll, wobei der zweite Satz von
verknüpften NAND-Gattern (6l, 62) eine bistabile Qedächtnis-Speichervorrichtung bildet, die in dem letzten Schaltzustand verbleibt, in dem sie durch ein Eingangssignal geschaltet wurde, und ein die Einschaltung ermöglichendes Potential an der Steuerelektrode der vorgenannten Halbleiter-Leistungsvorrichtung aufrecht erhält, um diese Vorrichtung stromdurehlässig
zu halten, so daß der Verbraucherstrom in den Zwischenräumen zwischen den gepulsten Leitfähigkeits-Intervallen beider Halbleiter-Leistungsvorrichtungen in dem ausgewählten Satz durch den Verbraucher zirkulieren kann, wobei diese vorgenannte
restliche Halbleiter-Leistune-svorrichtung in dem ausgewählten Satz so lange eingeschaltet gehalten wird, bis eine Umkehr des Stroms durch den Verbraucher eingegeben wird und die bistabile Gedächtnis-Speichervorrichtung veranlaßt wird, ihren Schaltzustand zu ändern.

Impulsbreiten-modulierter Brücken-Leistungsverstärker nach
Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß jeder der Leistungstransistoren von geeigneten Antriebstransistoren (Q_la> Q_2a» Q-z_a> Qi|_a) angetrieben wird, welche
mit den Basiselektroden der Transistoren (Q.., Q₂, Q,, Q₁.)
verbunden sind, wobei die Elektroden der Treibertransistoren ^^Qla' ^Q2a' ^Q3a' ^Q4a^ ^{über Umkehl>schaltunp}"^en (⁴²*> *»9) mit den jeweiligen Ausgängen des ersten Satzes von verknüpften NAND-Gattern (4l, k2) verbunden sind.

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Impülsbreiten-modulierter Brucken-Leistungsverstarker nach Anspruch 6, d ad u r c'h g e k e η η ζ ei c h'n et daß die Verzögerungsvorrichtung einen Kondensator" (68/ 69) umfaßt, der über die Basis-Kollektorstrecke jedes'der'Antriebstranistoren (Q_la> Qga' °'3a' ^^a^ ^zur Verzögerung der Einschaltung dieser Transistoren nach einem Einsehaltsignal vom Ausgang der ersten logischen Schaltung mit NAND-Gattern 42) verbunden ist. ■

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