DE2229642A1

DE2229642A1 - Steuerschaltung zur stufenlosen drehzahleinstellung eines gleichstrommotors

Info

Publication number: DE2229642A1
Application number: DE2229642A
Authority: DE
Inventors: Helmut Steinmann
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1972-06-19
Filing date: 1972-06-19
Publication date: 1974-01-10
Also published as: JPS49100524A; GB1440629A; FR2189925A2; FR2189925B2

Description

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Anlage zur

Patentanmeldung

ROBERT BOSCH GMBH, Stuttgart

Steuerschaltung zur stufenlogen Drehζah!einstellun£ eines Gleichstrommotors

Die Erfindung bezieht sich auf eine Steuerschaltung zur stufenlosen DrehzahleinstellunFT eines Gleichstrommotors, mit einem Haupttransistor, der den Motorstrom führt, mit einem Vortransistor, der den Haupttransistor ansteuert und dessen Leitfähigkeitstyp komplementär zu dem des Kaunttransistors 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 da!³, die in ihm anfallende Verlustleistung erhebliche Werte annehmen kann. Der Hauottransistor muß daher leistungsmSßig 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 weiterer 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 verwendeten 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 Laufpjeräusch ergibt als bei Verwendung einer kontinuierlich arbeitenden Steuerschaltung.

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Der Erfindurig 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 Laufgerausch 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 zusaranen mit einem Rückkopplungsviiderstand eine Kippstufe bilden, die in Abhängigkeit von der Spannung am Speieherkondensator ein- und ausschaltbar ist.

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

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

Es zeigen:

Fig. 1 einen Schaltplan eines ersten Ausführungsbeispieles Fig. 2 einen Schaltplan eines zweiten Ausführungsbeispieles Fig. 3 einen Schaltplan eines v/eiteren Ausführungsbeispieles

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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 2k verbunden ist. Der erste Anschluß des Gleichstrommotors 11 ist mit der Plus leitung 2k verbunden, während der zweite Anschluß 26 über eine Speicherdrossel.12 und einen Haupttransistor 13 an die Minusleitung 25 angeschlossen ist. Parallel zur Reihenschaltung Gleichstrommotor 11 - Speicherdrossel 12 liegt eine Fred laufdiode. Parallel zum Gleichstrommotor 11 ist ein Speicherkondensator 17 geschaltet.

Mit dem zweiten Anschluß 26 ist weiterhin der Emitter eines Vortransistors 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 Rückkopülungswiderstand 19 an den Kollektor des Haupttrancistors 13 angeschlossen.

Das zweite Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 unterscheidet sich nur dadurch vorn ersten Ausführungsbeispiel, daß der Emitter des Vortransistors l8 über eine Diode 23 mit dem zweiten Anschluß 26 und über einen Widerstand 22 mit der Plu3leitung 2k verbunden ist. Alle übrigen Bauteile sind gleich wie beim ersten Aus führunizsb ei spiel angeordnet und auch mit gleichen Bezugs zahlen versehen.

Die Funktionsweise des ersten Ausfuhrungsbeispiels ist im wesentlichen dadurch charakterisiert, daß zwar der Speicherdrossel 12 eine impulsförmige Gleichspannung zugeführt wird, daß aber dem Gleichstromrotor 11 eine nur wenig wellige Gleichspannung zugeführt wird, weil die Sneicherdrossel 12 und der Speicherkondensator 17 als Glä'ttungsmittel dienen. Die eingangs beschriebenen Ratter- und Pfeifgeräusche des Ankers kön-

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nen daher nicht auftreten. Der Aufwand für die Glättungsmittel kann bei fileichstromreihenschlu^motoren wesentlich herabgesetzt v/erden. 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 Potentiomenter 21 und den Eingangswiderstand 2 + einen Baisstrom, so daß er leitend wird und dar:it auch den Hauottransistor 13 leitend macht. Der Haupttransistor 13 führt über die Speicherdrossel 12 dem Motor 11 Stron zu und lädt gleichzeitig den Speicherkondensator 17. Je vreiter der Speicherkondensator 17 aufgeladen ist, um so kleiner wird die Basis-Emitter-Spannung des Vortr-ansistors 18. Dessen Innenwiderstand nimmt daher zu₅ so daß auch der Basip.strom des Haursttransistors 13 kleiner wird. Der Spannungsabfall an der Emitter-Kollektor-Strecke des Haupttransistors 13 wird größer und das Kollektorpotential des Haupttrnnsi stör- 13 verschiebt sich in positiver Richtung. Diese positive Spannungsverschiebung wird über den RückkoOPiungswiderstand 19 der Basis des Vortransistors 18 zugeführt, so daß dieser schnell vollständig sperrt. Damit sperrt auch der Haunttranaistor 13 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 dor Speicherdrossel 12 entnehmen. Der Spei-'cherkondensator 17 wird dadurch entladen, so daß die Basis-Emitter-Snanmmg des Vortransistors 18 wieder größer wird. Der Vortransistor 18. beginnt dadurch zu leiten und führt dem Haunttransistor 13 einen Basisstrom zu. Sobald der Haupttransistor 13 leitet, sinkt sein Kollektornotential, so daß auch

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das Basispotential des Vortransistors ΐδ sich zu negativen V/erten hin verschiebt und dieser rasch geöffnet wird. Die Uras ehalt vor r'inre verlaufen jeweils sehr schnell _} weil die beiden Transistoren 18 und 13 einen Verst'irkar bilden, der über den Ruckkopplunp-swiderstand 19 sehr stark positiv rückpekonnelt ist.

Das Ein- und Ausschalten des Haunttransistors 13 wiederholt sich periodisch mit einer Frequenz, die im werjentlichen von der Kapazität des Speicherkondensators 3 7 und c;c-m· Induktivität der Speicherdrossel 12 abhängt. Das Tastverhältnis der Ausfanpsiirroulse des Haupttransistors 13, d.Ii. das Verhältnis der Einschaltzeit zur Periodendauer·, wird ■ von der Einstellung des Potentiometers 23 und der i>ela3tur;r; des Gleichstrommotors 11 bestimmt. Mit Hilfe des ''otentio-· meters 21 läßt sich daher die Drehzahl d^s 01eichstrorm;otors 11 stufenlos variieren. Damit sind die einrad<'"s f?,o-stellten Forderungen erfüllt „ Die beiden Transistoren 1° und 13 werden infolge der positiven Rückkopplung über den Widerstand 19 sehr schnell von leitenden in den nichtleitenden Zustand uir.resehaltet, so daß die Verlustlei ntunre auf jeden Fall klein bleibt. Trotzdem wird dem Gleichstrommotor 11 keine impulsf'rmige, sondern eine nur leicht v/ellir:e Glßichsnannun<T zugeführt, so da^ die Ankerf.er'iusche nicht stärker sind als bei einer einganp's beschriebenen kontinuierlich arbeitenden Steuerschaltung. Besonders voj'-teilhaft ist die erfindunpsp,em^!;ße Steuerschaltung für Gleichstromreihenschlußmotoren, v/eil bei diesen die Speicherdrossel 12 durch die Feldwicklung dos Motors gebildet wird.

Das zweite Ausführun^sbeispiel nach Fi p;. 2 erlaubt es, d;i e Verlustleistung des Haupttransistors 12 noch weiter herabzusetzen. Zum Verständnis der Funktionsweise des zweiten

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Ausführungobeinpi?is wird nochmals die Piß. 1 herangezogen. Der· Spannungsabfall über der Reihenschaltung aus der Speichordrosrscl 12 und dem Haupttransistor 13 ist auf jeden !''all mindestens gleich der Summe aus der Sättigungsspannung U„,-,^ , der Xolltektor-Emitter-Strecke des Vortransistors 18 und der Basis-Emitter-Spannung des Haupttrarisistors 13· Dieser Spannungsabfall liegt also beim ersten Aur. führungsb ei spiel auch bei leitendem Uaupttransistor 13 in der Größenordnung von 1,5 V'.oder darüber. Da der Inn?nwiderGtand der Speicherdrossel 12 sehr klein ist, li'-frt dieser Spannungsabfall praktisch vollständig an der Xollektor-Emitter-Strecke des Haupttransistors 1.3.

13eim zureiten Ausführungsbei sniel nach Fig,. 2 ist daher die in Durchlaßrichtung gepolte Diode 23 vorgesehen, die das Emitterootential des Vortransistors 18 um etvra 0,7 Volt gegenüber der. Potential des zweiten Anschlusses. 26 anhebt. Dadurch liegt auch das Basisnotential des Ilaupttransistors 13 urn 0,7 V höher und dieser ilaupttransistor 13 ist vielter geöffnet, so daß an ihm eine Spannung abfallt, die vißsentri ch kleiner als 1,5 Volt ist. Bei Verwendung einer Darlington-Schaltung aus zwei Transistoren an Stelle des einen Haupttransistors 13 wird die V/irkungs~ weise des zweiten Ausführungsbeispiels optimal, wenn anstelle dsr Diode 23 zwei in Serie geschaltete Dioden angewandt werden, so daß sich das Emitterpotential des Vortransistors l^p· um l,l| V gegenüber dem Potential des zweiten Anschlusses 26 in positiver Richtung verschiebt. Statt der zvjei in Reihe geschalteten Dioden kann man auch eine Stabilisierunrodiode mit einem Spannungsabfall von etwa 1,5 V verwenden.

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Der Widerstand 22 ist erforderlich, mn der Diode bzw. den. Dioden 23 einen Strop zuzuführen, so da°> sie leitfähig ist bzw. sind. Im übrigen wird die Funktionsweise der Steuerschaltung nicht verändert. Lediglich der Abgriff des Potentiometers 21 muß zu nositiveren Spannungswerten hin verschoben werden, utn die DurchlaPspannung der Diode 23 zu kompensieren.

Ein weiteres Ausführungsbeispiel ist in Fig. 3 gezeigt. Dieses Ausführungsbeispiel ist besonders zweckmäßig, ';?enn ein Motor mit größerer Leistungsaufnahme bzw. kleinem Inncnwiderntaad betrieben werden soll. Bei den Ausführungsbeispielen nach Fig. und 2 ist der Speicherkondensator 17 direkt parallel zu dem Motor 11 geschaltet. Mit diesem Kondensator vrird einerseits das dem Emitter des Vortransistors l8 zügeführte Signal geglättet, andererseits wird aber auch bei gesperrtem Haupttransistor 13 der Motor 11 mit der in dem Kondensator 17 gespeicherten Energie versorgt. Für einen Motor 11 größerer Leistung wird bei dieser Schaltungsanordnung ein Kondensator mit sehr großer Kapazität benötigt, der nur mit einer Slektrolyt-Kondensator-Ausführung realisierbar ist. Der infolge des Iirraulsbetriebs in diesem Elektrolyt-Kondensator auftretende Blindstrom kann dabei aufgrund der hohen Kapazität unzulässig hohe Werte erreichen. Um die Nachteile der erheblichen Baugröße der entsprechend hohen Kosten und der Gefährdung durch den hohen Blindstrom zu eliminieren, wird bei dem in Fig. 3 dargestellten Ausführungsbeispiel auf die Wirkung des Kondensators als Energiespeicher für den Motor 11 verzichtet und zur Glattung des dem Emitter des Vortransistors 18 zugeführten Signales ein dem Kmitterwiderstand 22 parallel geschalteter Kondensator 27 eingesetzt. Dieser Kondensator 27 ist zwischen die gemeinsame Pluszuleitung 2k und die Anode der Diode 23 geschaltet. Die V.'irkungsv/eise der beschriebenen Schaltanordnung ist grundsätzlich die gleiche wie die des Ausführungsbeispieles

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nach Fig. 2. Bei gesperrtem Haupttransistor 13 erfolgt jedoch die Energiezufuhr nicht mehr aus dein Speicherkondensator 17 und der Speicherdrossel 12 sondern nur noch aus der .Speicherdrossel 12. Die Glättung des dem Emitter des Vortransistors 18 zugeführten Signales geschieht jedoch nunmehr über den Kondensator 27, der dem imVergleich zum Motor 11 hochohirigen Emitterwiderstand 22 parallel geschaltet ist. Der Kondensator

kann für die hier vorgesehene Aufgabe wesentlich kleiner ausgelegt werden, d.h. die Kapazität des Kondensators kann erheblich reduziert werden. Dies wirkt sich kostengünstig und· platzsparend bei der Fertigung derartiger Steuerschaltungen aus.

Wie aus der vorstehenden Beschreibung hervorgeht, weist die erfindungsrenöße Imnulssteuerschaltung keinen höheren Schaltungsaufwand als herkömmliche kontinuierlich arbeitende Steuer-schaltungen auf. Außerdem werden die Ankergeräusche auf einem 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 Impulssteuerschaltung besteht darin, da": man den Hauptschalter 15 auch gan?. einsparen kann, da die beiden Transistoren 18 und 13 vollständig sperren, wenn das Potentiometer 21 an seinen oberen Anschlag

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gedreht wird, so daft die Basis des Vortransistors 18 auf Plusootential liept. Der Querstrom durch das Potentiometer 21 kann in den meisten Arwendungsfällen in Kauf genommen werden.

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Claims

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Ansόrüche

Steuerschaltung zur stufenlosen Drehsahleinstellung eines Gleichstrommotors, mit einem Haupttransistor, der den Mbtorstrom führt, mit einen Vortransistor, der den Haupttransistor ansteuert und dessen Loitfahigkeitstyp komplementär zu dem des Hauottransistora ist, und mit einem Stellvriderstand, der zur Einstellung der Basisspannung des Vortransistors dient, dadurch gekennzeichnet, da.ß in Serie zum Motor (11) eine Speicherdrossel (12) geschaltet ist und daß der Vortrans j stör (13) und der Haupttransistor (13) zusannen mit einem Rückkoppluftwiderstand (19) eine Kippstufe bilden, die in Abhängigkeit von der Spannung am Verbindungspunkt des Motors (11) und der Speicherdrossel (12) ein- und ausschaltbar ist.

Steuerschaltung nach Ansnruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß parallel zum Motor (11} ein Speicherkondensator (17) geschaltet ist.

3. Steuerschaltung nach .Anspruch 1 oder 2; dadurch gekennzeichnet, daß bei Vervrendun!?. der Steuerschaltung für einen Gleichstrom-Reihenschlußrotor die Feldwicklung des Reihenschlußmotors als Speicherdrossel vorgesehen ist.

h. Steuerschaltung nach einem d?r Ansprüche 1 bis 3« dadurch gekennzeichnet, daß der Abgriff des als Potentioneters ausgebildeten Stellwiderstandes (21) mit der Basis und der Speicherkondensator (17) mit dam Emitter des Vortransistors (1^) verbunden ist.

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5. Steuerschaltung; nach einem der Ansnrüche 1 bis ¹I, dadurch gekennzeichnet, daß der Kollektor des Vortransistors (18) direkt mit der Basis des -iauottransistors (13) verbunden ist und daß zwischen den Tollektor des Haupttransistors (13) und der Basis des Vortran~istors (18) der RückkopOlungsv/iderstand (19) liegt.

6. Steuerschaltung nach einen der Ansnrüche 1 bis 5₃ dadurch gekennzeichnet, daß der Enitter d^ Vortransistors (18) mit dem notorseitigen Anschluß (2β) der Sppicherdrossel (12) und der Kollektor des Haupttransistors (13) mit dem anderen Anschluß der Glättun^sdrossel verbunden ist.

7. Steuerschaltung nach Anspruch 1 oder einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Emitter des Vortransistors (18) über einen Viaerstand (22) mit einer Plusleitunc (2*J) und über wenif.otens eine Diode (23) mit dem motcrseitigen Anschluß (26) dar opeicherdrossel (12) verbunden ist.

8. Steuerschaltung, nach einen der Ansprüche 1 bis J₃ dadurch gekennzeichnet« daß parallel zu den Cmitter'-iiderstand (22) des Vortransistors (13) ein Kondensator (27) geschaltet ist.

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