DE2104895A1

DE2104895A1 - Steuerschaltung zur stufenlosen Drehzahleinstellung eines Gleichstrommotors

Info

Publication number: DE2104895A1
Application number: DE19712104895
Authority: DE
Inventors: Helmut 7570 Baden-Baden. H02p 7-24 Steinmann
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1971-02-03
Filing date: 1971-02-03
Publication date: 1972-09-14
Also published as: BE778881A; IT947239B; FR2124639A5; GB1371854A; JPS4716916A; SE368891B; US3748559A

Description

R. 204-1.2.1971 Sk/Sz

Anlage zur
Patentanmeldung

ROBERT BOSCH GMBH, Stuttgart

Steuerschaltung zur stufenlosen Drehzahleinstellunp; eines Gleichstrommotors

Die Erfindung "bezieht sich auf eine Steuerschaltung zur stufenlosen Drehzahleinstellung eines Gleichstrommotors, mit einem Haupttransistor, der den Motorstrom führt, mit einem Vortransistor, der den Haupttransistor ansteuert und dessen Leitfähigkeitstyp komplementär zu dem des Haupttransistors ist, und mit einem Stellwiderstand, der zur Einstellung der Basisspannung des Vortransistors dient.

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Es sind schon derartige Steuerschaltungen bekanntgeworden, bei denen die Innenwiderstände des Vortransistors und des Haupttransistors mit Hilfe des Stellwiderstandes kontinuierlich variiert werden, so daß sich beliebige Werte des Motorstroms einstellen lassen. Der entscheidende Nachteil dieses Verfahrens besteht darin, daß im Teillastbetrieb des Motors der Haupttransistor einen relativ hohen Innenwiderstand aufweist und trotzdem schon einen beträchtlichen Strom führen muß, so daß die in ihm anfallende Verlustleistung erhebliche Werte annehmen kann. Der Haupttransistor muß daher leistungsmäßig überdimensioniert werden. Zur Verbesserung dieses Mißstandes sind sogenannte Impulssteuerungen bekanntgeworden, die dem Motor den Strom nicht kontinuierlich, sondern intermittierend zuführen. Für solche Impulssteuerungen ist jedoch im allgemeinen ein Schaltungsaufwand erforderlich, der erheblich über den bei kontinuierlich arbeitenden Steuerschaltungen gebräuchlichen hinausgeht.

Bei kleineren Gleichstrommotoren mit Leistungen bis zu einigen 100 Watt ist noch ein v/eiterer Umstand zu berücksichtigen. Bei Impulssteuerungen wird der Strom dem Motor mit einer Impulsfrequenz von einigen Hz bis einigen kHZ zugeführt. Je kleiner nun das Trägheitsmoment des Motorankers ist, um so stärker macht es sich bemerkbar, daß sich der Anker unter dem Einfluß der Stromimpulse ruckweise vorwärtsbewegt. Bei kleinen Motoren hört man also je nach der verv;endeten Impulsfrequenz ein Rattern oder Pfeifen. Auch die einzelnen Blechlamellen des Ankers werden zu Schwingungen angeregt, so daß sich bei Anwendung einer Impulssteuerung für einen kleinen Gleichstrommotor ein erheblich stärkeres Laufgeräusch ergibt als bei Verwendung einer kontinuierlich arbeitenden Steuerschaltung.

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Der Erfindung lag daher die Aufgabe zugrunde, eine Steuerschaltung zu schaffen, bei der der Haupttransistor nur für die bei Impulssteuerungen übliche kleine Verlustleistung dimensioniert werden muß und bei der trotzdem weder der Schaltungsaufwand höher noch das Laufgeräusch stärker ist als bei einer kontinuierlich arbeitenden Steuerschaltung. Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung in besonders wirkungsvoller Weise dadurch gelöst, daß parallel zum Motor ein Speicherkondensator und in Serie zum Motor eine Speicherdrossel geschaltet ist und daß der Vortransistor und der Haupttransistor zusammen mit einem Rückkopplungswiderstand eine Kippstufe bilden, die in Abhängigkeit von der Spannung am Speicherkondensator ein- und ausschaltbar ist.

Die zusätzlich erforderliche Speicherdrossel kann in weiterer Ausgestaltung der Erfindung dadurch eingespart werden, daß bei Verwendung der Steuerschaltung für einen Gleichstron-Reihenschlußmotor die Feldwicklung des Reihenschlußmotors als Speicherdrossel vorgesehen ist.

Weitere Einzelheiten und zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung v/erden nachstehend anhand zweier in der Zeichnung dargestellter Ausführungsbeispiele näher beschrieben und erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 einen Schaltplan eines ersten Ausführungsbeispiels und

Fig. 2 einen Schaltplan eines zweiten Ausführungsbeispiels.

Beim ersten Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 ist zur Stromversorgung eines Gleichstrommotors 11 eine Batterie 14 vorgesehen, deren Minuspol mit einer Minusleitung 25 und deren Pluspol über einen Hauptschalter 15 mit einer Plusleitung 24 verbunden ist.

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Der erste Anschluß des Gleichstrommotor 11 ist mit der Plusleitung 24 verbunden, während der zweite Anschluß 26 über eine Speicherdrossel 12 und einen Haupttransistor IJ an die Minusleitung 25 angeschlossen ist. Parallel zur Reihenschaltung Gleichstrommotor 11 - Speicherdrossel 12 liegt eine Freilaufdiode 16. Paralle -zum Gleichstrommotor 11 ist ein Speicherkondensator 17 geschaltet.

Mit dem zweiten Anschluß 26 ist weiterhin der Emitter eines fc Yortransistors 18 verbunden. Der Leitfähigkeitstyp dieses 'Vortransistors 18 ist entgegengesetzt zu dem des Haupttransistors. Der Kollektor des Vortransistors 18 liegt direkt an der Basis des Haupttransistors 13· Die Basis des Vortransistors 18 ist einerseits über einen Eingangswiderstand 20 an den Abgriff eines Potentiometers 21 und andererseits über einen Rückkopplungswiderstand 19 an den Kollektor des Haupt trans is tors 13 angeschlossen.

Das zweite Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 unterscheidet sich nur dadurch vom ersten Ausführungsbeispiel, daß der Emitter des Vortransistors 18 über eine Diode 23 mit dem zweiten Anschluß 26 und über einen Widerstand 22 mit der Plusleitung 24 verburi- W den ist. Alle übrigen Bauteile sind gleich wie beim ersten Ausführungsbeispiel angeordnet und auch mit gleichen Bezugszahlen versehen.

Die Funkti ons v/eise des ersten Ausführungsbeispiels ist im wesentlichen dadurch charakterisiert, daß zwar der Speicherdrossel 12 eine impulsförmige Gleichspannung zugeführt wird, daß aber dem Gleichstrommotor 11 eine nur wenig wellige Gleichspannung zugeführt wird, weil die Speicherdrossel 12 und der Speicherkondensator I7 als Glättungsmittel dienen. Die eingangs beschriebenen Ratter- und Pfeifgeräusche des Ankers können

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daher nicht auftreten. Der Aufwand für die Glättungsmittel kann bei Gleichstromreihenschlußmotoren wesentlich herabgesetzt werden. Bei diesen Motoren ist es nämlich möglich, die Feldwicklung direkt als Speicherdrossel zu verwenden.

Im einzelnen funktioniert die Schaltung nach Fig. 1 in folgender Weise: Wenn der Hauptschalter 15 geschlossen wird, erhält der Vortransistor 18 über das Potentiometer 21 und den Eingajigswiderstand 20 einen Basisstrom, so daß er leitend wird und damit auch den Haupttransistor 13 leitend macht. Der Haupttransistor führt über die Speicherdrossel 12 dem Motor 11 Strom zu und lädt gleichzeitig den Speicherkondensator 17. Je weiter der Speicherkondensator 17 aufgeladen ist, um so kleiner wird die Basis-Emitter-Spannung des Vortransistors 18. Dessen Innenwiderstand nimmt daher zu, so daß auch der Basisstrom des Haupttransistors 13 kleiner wird. Der Spannungsabfall an der Emitter-Kollektor-Strecke des Haupttransistors 13 wird größer und das Kollektorpotential des Haupttransistors 13 verschiebt sich in positiver Richtung. Diese positive Spannungsverschiebung wird über den Rückkopplungswiders band 19 der Basis des Vortransistors 18 zugeführt, so daß dieser schnell vollständig sperrt. Damit sperrt auch der Haupttransistor I3 vollständig, da er keinen Basisstrom mehr erhält.

Da der Haupttransistor 13 gesperrt ist, kann der Gleichstrommotor 11 seinen Betriebsstrom nur noch aus dem Speicherkondensator 17 und aus der Speicherdrossel 12 entnehmen. Der Speicherkondensator 17 wird dadurch entladen, so daß die Basis-Emitter-Spannung des Vortransistors 18 wieder größer wird. Der Vortransistor 18 beginnt dadurch zu leiten und führt dem Haupttransistor 13 einen Basisstrom zu. Sobald der Haupttransitor 13 leitet, sinkt sein Kollektorpotential, so daß auch das Basispotential des Vortransistors 18 sich zu negativen

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■ Werten hin verschiebt und dieser rasch geöffnet wird. Die Umschaltvorgänge verlaufen jeweils sehr schnell, weil die beiden Transistoren 18 und 13 einen Verstärker bilden, der über den Rückkopplungswiderstand 19 sehr stark positiv rückgekoppelt ist.

Das Ein- und Ausschalten des Haupttransistors 13 wiederholt sich periodisch mit einer Frequenz, die im wesentlichen von der Kapazität des Speicherkondensators 17 und der Induktivität der Speicherdrossel 12 abhängt. Das Tastverhältnis der Ausgange-

" impulse des Haupt trans is tors 13, d. h. das Verhältnis der Einschal tzeit zur Periodendauer, wird von der Einstellung des Potentiometers 21 und der Belastung des Gleichstrommotors 11 bestimmt. Mit Hilfe des Potentiometers 21 läßt sich daher die Drehzahl des Gleichstrommotors 11 stufenlos variieren. Damit sind die eingangs gestellten Forderungen erfüllt. Die beiden Transistoren 18 und 13 v/erden infolge der positiven Rückkopplung über den Widerstand 19 sehr schnell vom leitenden in den nichtleitenden Zustand umgeschaltet, so daß die Verlustleistung auf jeden Fall klein bleibt. Trotzdem wird dem Gleichstrommotor 11 keine impulsförmige, sondern eine nur leicht wellige Gleichspannung zugeführt, so daß die Ankergeräusche nicht

k stärker sind als bei einer eingangs beschriebenen kontinuierlich arbeitenden Steuerschaltung. Besonders vorteilhaft ist die erfindungsgemäße Steuerschaltung für Gleichstromreihenschlußmotoren, weil bei diesen die Speicherdrossel 12 durch die Feldwicklung des Motors gebildet wird.

Das zweite Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 erlaubt es, die Verlustleistung des Haupttransistors 12 noch weiter herabzusetzen. Zum Verständnis der Funktionsweise des zweiten Ausführungsbeispiels wird nochmals die Fig. 1 herangezogen. Der Spannungsabfall über der Rdhenschaltung aus der Speicher-

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drossel 12 und dem Haupttransistor 13 ist auf jeden Fall mindestens gleich der Summe aus der Sättigungsspannung !Ug , der Kollektor-Emitter-Strecke des Vortransistors 18 und der Basis-Emitter-Spannung des Haupttransistors IJ. Dieser Spannungsabfall liegt also beim ersten Ausführungsbeispiel auch bei leitendem Haupttransistor 13 in der Größenordnung von 1,5 V oder darüber. Da der Innenwiderstand der Speicherdrossel 12 sehr klein ist, liegt dieser Spannungsabfall praktisch vollständig an der Kollektor-Emitter-Strecke des Haupttransistors 13·

Beim zweiten Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 ist daher die in Durchlaßrichtung gepolte Diode 23 vorgesehen, die das Emitterpotential des Vortransistors 18 um etwa 0,7 Volt gegenüber dem Potential des zv:eiten Anschlusses 26 anhebt. Dadurch liegt auch das Basispotential des Haupttransistors 13 um 0,7 V höher und dieser Haupttransistor 13 ist weiter geöffnet, so daß an ihm eine Spannimg abfällt, die wesentlich kleiner als 1,5V ist. Bei Verwendung einer Dar]ington-Schaltung aus zwei Transistoren an Stelle des einen Haupttransistors 13 wird die Wirkungsweise des a v.^r ei ten Ausführungsbeispiels optimal, wenn anstelle der Diode 23 zwei in Serie geschaltete Dioden angewandt werden, so daß sich das Emitterpotential des Vortransistors 18 um 1,4 V gegenüber den Potential des zweiten Anschlusses 26 in positiver Richtung verschiebt. Statt der zwei in Reihe geschalteten Dioden kann man auch eine Stabilisierungsdiode mit einem Spannungsabfall von etwa 1,5 V verwenden.

Der Widerstand 22 ist erforderlich, um der Diode bzw. den Dioden 23 einen Strom zuzuführen, so daß sie leitfähig ist "bzw. sind. Im übrigen wird die Funktionsweise der Steuerschaltung nicht verändert. Lediglich der Abgriff des Potentiometers 21 muß zu positiveren Spannungswerten hin verschoben werden, um die Durchlaßspannung der Diode 23 zu kompensieren.

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Wie aus der vorstehenden Beschreibung hervorgeht, weist die erfindungsgemäße Impulssteuerschaltung keinen höheren Schaltungsaufwand als herkömmliche kontinuierlich arbeitende Steuerschaltungen auf. Außerdem werden die Ankergeräusche auf einen sehr niedrigen Niveau gehalten. Die beschriebene Steuerschaltung findet ihre bevorzugte Anwendung bei Ventilatorantrieben in Kraftfahrzeugen. Es ist auch ohne weiteres möglich, die Steuerschaltung in einen Regelkreis einzubauen. So kann man zum Beispiel das Potentiometer 21 durch den Ausgang eines ^ Regelverstärkers ersetzen, und dann die Drehzahl des Gleichstrommotors 11 in Abhängigkeit von der Innentemperatur des Kraftfahrzeugs steuern. Auch für Scheibenwischerantriebe ist die Steuerschaltung geeignet, doch ist es dann zweckmäßig, das Potentiometer 21 durch einen in Stufen einstellbaren Widerstand zu ersetzen.

Ein weiterer Vorteil der beschriebenen Impulssteuerschau tung besteht darin, daß man den Hauptschalter 15 auch ganz einsparen kann, da die beiden Transistoren 18 und IJ vollständig sperren, wenn das Potentiometer 21 an seinen oberen Anschlag gedreht wird, so daß die Basis des Vortransistors 18 auf Pluspotential liegt. Der Querstrom durch das Potentiometer 21 kann |) in den meisten Anwendungsfällen in Kauf genommen vier den.

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Claims

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S tuttgart

Ansprüche

1.1 Steuerschaltung zur stufenlosen Drehzahleinstellung eines Gleichstrommotors, mit einem Haupttransistor, der den Mo-" torstrom führt, mit einem Vortransistor, der den Haupttransistor ansteuert und dessen Leitfähigkeitstyp komplementär zu dem des Haupttransis tors ist, und mit einem Stellwiderstand, der zur Einstellung der Basisspannung des Vortransistors dient, dadurch gekennzeichnet, daß parallel zum Motor (11) ein Speicherkondensator (17) und in Serie zum Motor eine Speicherdrossel (12) geschaltet ist und daß der Vortransistor (18) und der Haupttransistor (13) zusammen mit einem Rückkopplungswiderstand (19) eine Kippstufe bilden, die in Abhängigkeit von der Spannung am Speicherkondensator (17) ein- und ausschaltbar ist.

2. S teil er schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei Verwendung der Steuerschaltung für einen Gleichstrom-Reihenschlußmotor die Feldwicklung des Reihenschlußmotors als Speicherdrossel vorgesehen ist.

J. Steuerschaltung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß dor Abgriff des als Potentiometer ausgebildeten

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Stellwiderstandes (21) mit der Basis und der Speicherkondensator (17) mit dem Emitter des Vortransistors (18) verbunden ist.

4·. Steuerschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 3? dadurch gekennzeichnet, daß der Kollektor des Vortransistors (18) direkt mit der Basis des Haupttransistors (I3) verbunden ^ ist und daß zwischen dem Kollektor des Haupttransistors (13) und der Basis des Vortransistors (18) der Rückkopplungswiderstand (19) liegt.

5. Steuerschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 4-, dadurch gekennzeichnet, daß der Emitter des Vortransistors (18) mit dem motorseitigen Anschluß (26) der Speicherdrossel (12) und der Kollektor des Haupttransistors (13) mit dem anderen Anschluß der Glättungsdrossel verbunden ist.

™ 6. Steuerschaltung nach Anspruch 5> dadurch gekennzeichnet, daß der Emitter des Vortransistors (18) über einen Widerstand (22) mit einer Plusleitung (24) und über wenigstens eine Diode (23) mit dem motorseitigen Anschluß (26) der Speicherdrossel(12)verbunden ist.

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