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EESCHEIBUNG
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Elektronischer Gleichstrom-Leistungs steiler Die Erfindung betrifft
eine Schaltungsanordnung zur stufenlosen Steuerung einer Gleichstromleistung in
Abhängigkeit von einer Steuerspannung, in einer speziellen Ausführung der Erfindung
von einer pulsbreitenmodulierten Steuerspannung, unter Verwendung eines selbsterregten
Sperrwandlers oder Abwärtswandlers.
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In der Modell-Fernsteuerungstechnik z. B. ist es oft notwendig, die
einer Gleichstromlast (z. B. Gleichstrommotor) zugeführte Leistung zu steuern, wobei
als Steuerspannung eine bei üblichen Nodellfunkfernsteueranlagen vom Empfängerdekoder
als Steuersignal abgegebene pulsbreitenmodulierte Spannung hohen Queliwiderstandes
und niedriger Frequenz von ca. 40 Hz verwendet werden soll.
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Aus der Fachliteratur sind zahlreiche Schaltungen bekannt, die eine
Leistungssteuerung von Gleichstrommotoren für Modelizwecke als Funktion beinhalten.
Die in [1][2] und t6 angeführten Schaltungen verwenden einen iri Leistungspfad liegenden
Transistor mit Treiber als Stellglied, das mit der üblichen Periodizität der pulsbreitenmodulierten
Spannung von ca. 25 ms für eine der gewüesehten Leistung entsprechende, mehr oder
weniger lange
Zeit durchgeschaltet ist. In einer relativ umfangreichen
Steuerelektronik wird aus dem pulsbreitenmodulierten Eingangs signal mit einem Modulationshub
von ca. 1,5 ma# 0,5 ms ein den Leistungsteil steuerndes Signai erzeugt, das bei
richtigem Abgleich einen entsprechenden Modulationshub von 12,5 ms 12,5 ms aufweist.
Damit kann über das Stellglied eine von der verlängerten Pulsbreite abll.ingige
Leistung dem Motor zugefuhrt werden, wobei der Leistungsteil durch den als Schalter
betriebenen Transistor verhältnismäßig geringe Verluste aufweist. Nachteilig an
dieser Schaltung ist neben dem hohen Aufwand für die Pulsbreitenumwandlung die hohe
mcchanische Beanspruchung des rotors durch die im 40 Hz-Takt folgenden periodischen
Stromstöße und die damit verbundenen Stoßkräfte, insbesondere, wenn noch ein Getriebe
angeschlossen ist.
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Imine in [3] beschriebene Schaltung vermeidet den Nachteil der erhöhten
mechanischen Beanspruchung teilweise dadurch, daß die Leistungsstufe mit etwa 1000
Hz geschaltet wird. Bei dieser Frequenz werden die Stoßkräfte durch die Nasse des
Rotors weitgehend integriert, so daß nur die höheren Beanspruchungen am Notorkollektor
und den Bürsten verbleiben. Diese Schaltung weist jedoch einen. entscheidenden Nachteil
dadurch auf,daß die Pulsbreite der 1000 Hz-Steuerspannung durch die Stellung eines
Potentiometers bestimmt wird, das wiederum in
aufwendiger Weise
von einem elektro-mechanische> Servoantrieb gestellt wird.
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In [4], [5] und L70 sind schließlich Schaltungen angeführt, die zur
Leistungsstufensteuerung ebenfalls die Pulsbreitenumwandlung verwenden, unter Beibehaltung
der 40 Hz-Pulsfrequenz, jedoch im Leistungsteil eine aus vier Transistoren bestehende
Brückenschaltung verwenden, in deren Brückenpfad sich der Motor befindet.
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Diese Brückenschaltung ermöglicht die Drehrichtungsumkehr des Motors.
Die Steuerschaltung verarbeitet die Eingangssignale derart, daß bei 1,5 ms Pulsbreite
der Motor steht, bei 1,0 ms und 2,0 ms Pulsbreite der Motor mit maximaler Leistung
vorwrts bzw. rückwärts läuft. Der Gesamtaufwand an Bauelementen verdoppelt sich
etwa durch die zusätzliche Funktion der Drehrichtungsumkehr. Es ist jedoch kein
zusätzliches Steuersinal notwendig. Die Auflösegenauigkeit der Leistungseinstellung
ist jedoch durch die Aufteilung des Pulsbreitenhubes auf zwei Drehrichtungsbereiche
entsprechend verringert.
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Der Erfindung liegt dieAufgabe zugrunde, einerseits durch die Anwendung
geschalteter Gleichspannungswandler mit hoher Schaltfrequenz eine für den Verbraucher,
insbesondere für eine Motorlast, günstige Gleichspannungsleistung bei hohem Wirkungsgrad
zuzuführen, andererseits eine schaltungsmäßig einfache zuverlässige und proportionale
Umwandlung der pulsbreitenzilodulierten
Steuerspannung in ein Signal,
das von einem geeigneten Stellglied des Gleichspannungswandlers verarbeitet werden
kann, zu verwirklichen.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß, wie in Fig.
1 für einen selbsterregten Abwärtswandler gezeigt, in dem auf die Basis des Schalttransistors
T1 wirkenden Rückkopplungszweig in Serie zur Rückkopplungswicklung lI als Stellglied
für die Leistungssteuerung ein Feldeffekttransistor T2 verwendet wird. Dieser erfüllt
die punktion eines spannungsgesteuerten Widerstanddes mit dem zweckgebundenen Vorteil,
daß der Quellwidestand des ihn steuernden Signals sehr hoch sein darf.
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Zwischen der Steuerelektrode (Gate) des Feldeffekttransistors T2 und
dem Kollektor des Schalttransistors T1 liegt eine Kapazität C3, über die die am
Kollektor anstehenden Spannungsimpulse auf das Gate des Feldeffekttransistors T2
gekoppelt werden, so daß im leitenden Zustand des Schalttransistors T1 der Feldeffekttransistor
T2 einen niedrigen Widerstand und im gesperrten Zusatnd des Schalttransistors T1
der Feldeffekttransistor T2 einen hohen Widerstand aufweist. Dieser Widerstandswechsel
im Takt der Schwingfrequenz des Wandlers führt dazu, daß dem Schalttransistor T1
in seinem leitenden Zustand mittels der in der Rückkopplungswicklung II erzeugten
Spannung ein hoher positiver Basisstrom zugeführt wird, wnhrend im gesperrten Zustand
des Schaltttransistors T1 bei umgekehrter Polarität der Spannung an der Rückkoplungswicklung
II der negative Basisstrom begrenzt wird.
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Da der mit dem Feldeffekttransistor T2 verbundene Anschluß der RückkopT)lungswicklung
II ein phasenmäßig ähnlich liegendes Potential wie das des I*ollektors des Schalttransistors
T1 aufweist, kann die Kopplungskapazität C3 auch mit diesem Punkt verbunden werden,
wie in Fig.2 dargestellt ist.
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Die Speicherinduktivität L mit der Hauptwicklung I und der Rückkopplungswicklung
II, die parallel zum Ausgang liegende Kapazität Cl, die Diode D1, sowie die als
Anschwinghilfe dienende Kapazität C2 und der Widerstand R1 bilden elementare Schaltungsglieder
des selbsterregten Abwärtswandlers, wie er schon in der deutschen Patentschrift
1 281 011 beschrieben ist.
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Über den Widerstand R2 wird dem Gate des Feldeffekttransistors T2
die Steuergleichspannung zugeführt, die sich der über der Kapazität C3 eingekoppelten
Spannung übe.Plagert. Ist die Steuergleichspannung gleich Null, hat der Feldeffekttransistor
T2 seinen kleinsten Widerstand und im Rückkopplungszweig können periodisch hohe
positive Basisströme fließen, so daß der Spannungswandler maximale Leistung umsetzt.
Bei Erhöhung der Steuergleichspannung vird die über eine Schwingperiode des Wandlers
gemittelte Leitfähigkeit des Feldeffekttransistors T2 und damit der Basisstrom für
den Schalttransistor Tl geringer. Die vom Ausgang des Wandlers abgegebene Leistung
ist somit abhängig von der dem Gate des Feldeffekttransistors T2 über den Widerstand
R2 zugeführten steuernden Gleichspannung.
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Die notwendige Umwandlung des pulsbreitenmodulierten Steuersignals
in ein für die Steuerelektrode (Gate) des Feldeffekttransistors geeignetes amplitudenmoduliertes
Spannungssignal geschieht durch ein kombinietes Spannungs-Zeitintegrations und Spannungsteilerglied,
bestehend aus der Kapazität C4 und dem Widerstand lR4, die beide parallel zu dem
mittels des Widerstandes R2 entkoppelten Steuereingang des Feldeffektransistors
T2 liegen, sowie den in Serie zum pulsbreitenmodulierten Singangssignal geschalteten
widerstand k3 und der Diode D2. Das Widerstandsverh.-iltnis ist derart gewählt,
daß bei maximaler zu verarbeitender Pulsbreite und bei vorgegebener Amplitude des
Steuersignals eine Spannung über der kapazität C4 und damit an der Steuerelektrode
des Feldeffekttransistors T3 anliegt, die wenig unterhalb der :Äbsciinürspaniiung
liegt. Bei minimaler Pulsbreite des äteuersignnls ist die Spannung entsprechend
niedriger und der Feldeffekttransistor T2 gut leitend. Die Größe dieses Leitwertes
sowie eine leistungsgerechte Dimensionierung der Schaltungselemente des Abwärtswandlers
bestimmen die maximale Leistung, die der Last zugeführt wird.
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Die absolute Größe der Widerstände R3 und R4 sowie der Kapazität C4
werden von der Frequenz des pulsbreitenmodulierten Eingangssignals bestimmt, so
daß auch Signale anderer Frequenz bei geeigneter Dimensionierung dieser Schaltungsglieder
zur Leistungssteuerung verwendet werden korlnen. Zeit der relativen Größe der Widerstände
R3 und R4 kann das Spannungsteilervorhältnis
eingestellt werden
und damit eine Anpassung der Amplitude des pulsbreitenmodulierten Eingangssignals
an die Abschnurspannung des Feldeffekttransistors T2 vorgenommen werden.
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In Fig. 5 ist gezeigt, wie diese schaltung mit einem Sperrwandler
verbunden werden kann. Durch die Auskoppelwicklung III wird es ermöglicht, daß eine
von der Eingangsspannungsquelie galvanisch getrennte Ausgangsspannung erzeugt wird.
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In einer weiteren Ausführung der Erfindung ist, wie in Fig. 4 dargestellt,
der Schaltungsteil zur Umwandlung des pulsbreitenmodulierten Steuersignals potentialmäßig
auf den anderen Spannungspol des Leistungseinganges für den Abwärtswandler bezogen.
Gleichzeitig wird durch Einfügung eines zweiten Feldeffekttransistors T3 und eines
Drain-Widerstandes R5 eine Invertierung der über der Iiapazität C4 gewonnenen Steuergleichspannung
vorgenommen. Die inverticrte Spannung fält am Drain-siderstand R5 ab und steuert
in der bereits beschriebenen leise das Stellglied des wandlers. In dieser Scnaltung
bewirkt eine Steuerspannung mit minimaler Pulsbreite eine minimale Leistungsabgabe
des Wandlers, während eine Steuerspannung mit maximaler Pulsbreite zur maximalen
Leistungsabgabe führt.
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Die Erfindung läßt sich a
sführen, daß als Stellglied für den Basisstrom des Sclialttransistors Ti ein bipolarer
Transistor T4 mit einem seiner Basis-Emitter-Strecke parallelgeschalteten Feldeffekttransistor
T5 und einem zwischen Basis und Kollektor des Transistors T4 liegenden Widerstand
R6 verwendet wird. Der Feldeffekttransistor
T5 sclllicßt Je nach
seiner Aussteuerung einen mehr oder weniger großen 'reil des der Basis des transistors
T4 über den Widerstand R6 zugeführten Stromes kurz, wodurch der Kollektorstrom des
Transistors T4 und damit der Basisstrom für den Schalttransistor Tl gesteuert wird.
Die Umwandlung des pulsbreitenmodulierten Steursignals in ein für das Gate des Feldeffektransistors
T5 geeignetes amplitudenmoduliertes Signal geschieht in der schon beschriebenen
Weise.
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Eine Abwandlung dieser Ausführung der Erfindung zeigt Fig.6. Der Schaltungsteil
zur Umwandlung des pulsbreitenmodulierten Steuersignals ist potentialmäßig auf den
anderen Pol des Leistungseinganges bezogen. Der Transistor- T6 im w'ickkopplugszweig
des Wandlers ist hier als Emitterfolger geschaltet und wird von dem Feldeffekttransistor
T5 über den Transistor T7 angesteuqrt. Über den Widerstand R7 wird dem Transistor
T7 der Basisstrom zugeführt. Der andere anschluß des Widerstandes R7 ist mit dem
Kollektor des Schalttransistors T1 verbunden, so daß im leitenden Zustand dieses
Transistors der Strom durch den Widerst nd R7 am größten ist und damit die Transistoren
T6 und T7 leitend sind. Im gesperrten Zustand des Schalttransistors Tl fließt kein
Strom über den Widerstand R7 in die Basis des Transistors T7, womit dieser vuld
der Transistor T6 gesperrt sind. burch den Feldeffekttransistor T5 kann je nach
Größe der Steuergleichspannung am Gate ein mehr oder weniger großer Teil des über
den Widerstand R7 fließenden
Stromes liurzgeschlossen werden,
so daß der Transistor T7 und damit auch der Transistor T6 mehr oder weniger stark
leitend sind.
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In einer weiteren Ausführung der Erfindung wird der Leistungsausgang
des wandlers selbsttätig kurzgeschlossen, sobald der Abwärtswandler nicht mehr schwingt.
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Diese Maßnahme ist manchmal erwünscht, um z. B. einen Gleichstrommotor
zum schnellen Abbremsen zu bringen.
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Die hierzu er£orderliche Schaltung zeigt Fig. 7. Der Transistor T8
liegt mit seinem kollektor und Emitter parallel zum Ausgang des Abwärtswandlers.
Die Basis ist über einen Widerstand R3 mit dem Emitter des Schalttransistors T1
verbunden. Der Kollektor des Transistor T1 ist mit der £3. sis des Transistors T8
über eine Diode D3 verbunden. Parallel zur Basis-Umitter-Strecke des Transistors
T8 liegt eine kapazität C5. Im nichtschwingenden Zustand des Wandlers ist der Transistor
T8 durch den über den Widerstand Ag fließenden Basisstrom in der Sättigung, sofern
der von der Notorlast aufgrund der elektro-motorischen Kraft erzeugte Strom, der
durch Emitter und Kollektor es Transistors T8 fließt, einen von der Stromverstärkung
im Sättigung betrieb und vom Basisstrom bestimmten Wert nicht überschreitet. Im
schwingenden Zustand des Wandlers gelangen über die Diode D3 Stromimpulse auf die
integrierende Kapazität C, die umgeladen wird und den Transistor T8 sperrt.
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Eine Abwandlung dieser Schaltung zeigt Fig. 8. Die zur Sperrung des
Transistors TS im schwingenden bustand des Wandlers erforderlichen Impulse werden
mit einer mit der Speicherinduktivität L magnetisch gekoppelten Wicklung III erzeugt
und über die Dioden D4 und DS auf die Kapazität C5 gegeben.
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Zwei Schaltungen nach Fig. 7 oder Fig. 8 können, wie in Fig.9 dargestellt,
zusammengeschaltet werden1 wobei die Last zwischen den mit den Speicherinduktivitten
I, verbundenen Anschlüssen der beiden Ausgänge liegt und die anderen Anschlüsse
der Ausgänge miteinander verbunden werden. Dadurch ist es möglich, über zwei unabhängige
Steuersignale untcrschiedliche Leistungen bei positiver oder negativer Spannung
polarit.it auf die Last zu übertragen. Bei Gleichstrommotoren kann dadurch eine
Drehrichtungsumkehr erfolgen.
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Fundstellen: [1] "Elektronischer Fahrtregler für Elektromotoren" Zeitschrift
"Modell"; Jahrg. 77; lieft 4; S. 215-217 1,Elektronischer Fahrtregler Fr-5 im preiswerten
Selbstbau"; Zeitschrift "Flug + Modell Technik" Jahrg. 77; lieft 10; 5. 620-622
[3] "Stufenloser Drehzahlregler für Elektroflug-Motore" Zeitschrift "Flug + Modell
Technik"; Jahrg. 77; lieft 3; S. 141-142 und lieft 4; S.221-222 [4] "Fahrtregler
mit Richtungsumkehr"; Zeitschrift "Modell"; Jahrg. 77; lieft 2; 5. 91-92 [5] "Elektronischer
Fahrtregler für Digitalanlagen" Zeitschrift "Modell"; Jahrg. 77; Heft 8; 5. 478-479
t61 "Leichter Drehzahlregler für Elektroflug mit Tiefentladungsschutz für Graupner-Anlagen"
Zeitschrift "Modell"; Jahrg. 78; Heft 1; S.33-35 [7] "Motorregler für digitale Fernsteueranlagen";
Zeitschrift"Punkschau"; Jahrg. 78; lieft 11; S.517-518
L e e r
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