DE2849216B2 - Schaltungsanordnung zum Regeln der Drehzahl eines Gleichstrommotors - Google Patents

Schaltungsanordnung zum Regeln der Drehzahl eines Gleichstrommotors

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Hiromitsu Katano Nakano
Mitsuhara Takatsuki Ota
Isao Neyagawa Yoshida
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Description

(fl) einen oder mehrere zweite Transistoren (12-14) des gleichen Leitfähigkeitstyps wie der erste Transistor (11) aufweist, deren Basisanschlüsse mit dem Basisanschluß des ersten Transistors (11) verbunden sind, deren Kollektoranschlüsse über den Gleichstrommotor (9) mit dem ersten Anschluß (21) der Stromquelle verbunden sind, und deren Emitter durch dritte Widerstände (16-18) mit dem zweiten Anschluß (30) der Stromquelle verbunden sind, und
(f 2) in der Schaltungsanordnung ein veränderlicher Widerstand (34) zur Drehzahleinstellung vorgesehen ist, der zwischen dem Kollektoranschluß des ersten Transistors (ti) und die Kollektoranschlüsse der zweiten Transistoren (12—14) geschaltet ist, daß
(g) die Stromregelschaltung aufweist:
(g l)einen Differentialverstärker (3') mit einem Paar von Transistoren (23,24) des gleichen Leitfähigkeitstyps, deren Emitter zusammengeschaltet sind und über eine Konstantstromschaltung (101) mit dem Kollektoranschluß des ersten Transistors (11) verbunden sind, wobei der Basisanschluß eines ersten Transistors des Transistorpaares (23, 24) mit den Kollektoranschlüssen der zweiten Transistoren (12-14) verbunden ist und der Basisanschluß des zweiten Transistors des Transistorpaares (23, 24) über die Bezugsspannungsquelle (2S) mit dem Kollektoranschluß des ersten Transistors verbunden ist, und
(g 2)einen dritten Transistor (33), dessen Emitter mit den Basisanschlüssen des ersten Transistors (11) und der zweiten Transistoren (12-14) verbunden ist, um die Basisströme bei Veränderung des Kollektorstromes eines der Transistoren (23 oder 24) des Differenzverstärkers (3') zu steuern (F i g. 2, F i g. 4).
2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zweiten Transistoren (12—14) aus einer Anzahl parallelgeschalteter Transistoren mit gleichen Kennlinien bestehen, deren Kollektoren zusammengeschallet sind und deren Emitter über die gleichartigen dritten Widerstände (16—18) zusammengeschaltet sind.
3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Widerstand (20) und der veränderliche Widerstand (34) zur Drehzahleinstcllung äußere Widerstände sind, während der Rest der Schaltungsanordnung aus einer monolithischen integrierten Halbleiterschaltung besteht
4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch ίο gekennzeichnet, daß die Kollektoren der beiden Transistoren (23,24) des Differentialverstärkers (3') mit entsprechenden Kollektoren anderer Transistoren (26, 27) von umgekehrtem Leitungstyp verbunden sind, deren Basen miteinander mit einem der Kollektoren verbunden sind und deren Emitter mit dem zweiten Anschluß (30) der Spannungsquelle verbunden sind.
5. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß für das Verhältnis K des Gesamtwerts /« der Kollektorströme der zweiten Transistoren (12—14) zum KoNektorstrom /rfi des ersten Transistors (11) (K= Ic/lcu) der Widerstandswert des ersten Widerstands (20) K-mal so groß wie der Innenwiderstand des Gleichstrommotors (9) gewählt ist
Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zum Regeln der Drehzahl eines Gleichstrommotors, wie sie in Mitsubishi Denki Giho (in englisch: Technical Journal of Mitsubishi Electric Corporation), Band 49, Nr. 3 vom 25.3.1975, Seiten 280 ff, insbesondere im Zusammenhang mit Fig. 13, beschrieben ist. Bei der bekannten Schaltungsanordnung besteht das Problem, daß das Drehmoment, welches beim Anlaufen des Motors zur Verfügung steht (Anlaufdrehmoment), sowie das Drehmoment, welches zum Ausgleichen von Drehzahl-Schwankungen des Motors um die Solldrehzahl zur Verfügung steht (Steuerdrehmoment) für die bestehenden Bedürfnisse zu klein sind.
Daher liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Schaltungsanordnung der eingangs genannten Art dahingehend zu verbessern, daß sowohl das Anlaufdrehmoment als auch das Steuerdrehmoment gegenüber den entsprechenden Werten bei der bekannten Schaltungsanordnung erheblich erhöht sind.
Zur Lösung dieser Aufgabe ist die erfindungsgemäße
r>o Schaltungsanordnung in der in dem Hauptanspruch gekennzeichneten Weise ausgebildet.
Bei der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung ergibt sich in etwa der doppelte Wert sowohl bei dem Anlaufdrehmoment als auch bei dem Steuerdrehmoment im Vergleich zu der bekannten Schaltungsanordnung, wie noch im einzelnen beschrieben wird. Die Erhöhung des Anlaufdrehmoments bedeutet, daß der Motor die vorgegebene Drehzahl schneller erreichen kann als bisher. Die Erhöhung des maximalen
bo Steuerdrehmomentes bedeutet, daß zur Beseitigung von Drehzahlschwankungen um die Solldrehzahl ein größeres Drehmoment zur Verfügung steht.
Der eingangs erwähnte Stand der Technik sowie Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nun anhand
b'i der Zeichnungen beschrieben. Es zeigt
F i g. 1 ein Blockschaltbild der eingangs erwähnten, bekannten Schaltungsanordnung;
F i g. 2 eine Schaltungsanordnung nach einem Ausfüh-
rungsbeispiel der Erfindung;
Fig.3 eine graphische Darstellung der Beziehung zwischen dem Drehmoment und der Drehzahl für Gleichstrommotoren, wobei die Werte der gekannten Schaltungsanordnung den entsprechenden Werten der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung gegenübergestellt sind;
F i g. 4 eine Schaltungsanordnung nach einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung.
Bei der bekannten, in F i g. 1 dargestellten Schaltungsanordnung bestehen die von gestrichelten Linien umschlossenen Bauteile aus einer monolithischen, integrierten Schaltung, die aus einer Steuerschaltung 1, einer Bezugsspannungsquelle 2, einer Strombegrenzungsschaltung 3, einer Konstantstromschaltung 4 und einer Stromteilerschaltung 5 besteht Eine Klemme 6 für die Stromversorgung, eine Ausgangsklemme 7 und ein Anschluß 8 für einen Einstellwiderstand 10 sind die äuSeren Anschlußteile dieser integrierten Schaltung. Eine nicht dargestellte Spannungsquelle ist in Klemme 6 und Erde angeschlossen, ein Motor 9 ist an Ausgangsklemme 7 und Erde angeschlossen, und ein Einstellwiderstand 10 ist an Klemme 8 und Erde angeschlossen, wobei durch Einstellung des Widerstandes die gewünschte Drehzahl des Motors gewählt wird. Bei der bekannten Schaltungsanordnung wird eine der gegenelektromotorischen Kraft Ex des Gleichstrommotors proportionale Bezugsspannung Vrcr an der Ausgangsklemme 7 und der Klemme 8 erzeuge. Der Spannungsabfall am Einstellwiderstand 10 wird so eingestellt, daß er gleich der Bezugsspannung Vrcr ist. Wenn z. B. der durch den Innenwiderstand des Gleichstrommotors 9 bewirkte Spannungsabfall durch äußere Einwirkung verändert wird, wird der durch den Einstellwiderstand 10 fließende Strom verändert, so daß mit Hilfe der Stromteilerschaltung 5 die Bezugsspannung Vni gleich der Gegen-EMK Ea gemacht wird. Schwankungen in der Drehzahl des Gleichstrommotors werden damit unterdrückt Wie bereits erwähnt wurde, hat diese Schaltungsanordnung den Nachteil eines zu geringen Anlaufdrehmomentes und eines zu geringen maximalen Steuerdrehmomentes.
In dem in Fig.2 dargestellten Alisführungsbeispiel sind ein erster Transistor 11 und zweite Transistoren 12, 13,..., 14 vom gleichen Typ (npn-Transistoren) und mit gleichen elektrischen Kennlinien mit ihren Basisanschlüssen zusammengeschaltet Die Emitter der Transistoren 11, 12, 13, .., 14 sind über gleichartige Emitterwiderstäride zusammengeschaltet und mit einem negativen Anschluß 30 der Stromquelle, zugleich die Erde, verbunden. Die Transistoren 11 — 14, deren Basisanschlüsse zusammengeschaltet sind, bilden eine spiegelbildliche Schaltung, in der der Kollektor des ersten Transistors 11 über einen Anschlußpunkt 19 und einen Widerstand 20 mit einem positiven Anschluß 21 der Stromquelle verbunden ist; die Kollektoren der zweiten Transistoren 12—14 sind gemeinsam an einen Anschlußpunkt 22 geführt Der Gleichstrommotor 9 ist an den Anschlußpunkt 22 und den positiven Anschluß 21 geschaltet. Der gesamte Kollektorstrom der zweiten Transistoren 12—14 fließt durch den Gleichstrommotor. Durch Einstellung der Basiströme der zweiten Transistoren 12—14 können der Strom /a des Gleichstrommotors und damit seine Drehzahl eingestellt wurden. Die Transistoren 23 und 24 sind pnp-Transistoren und bilden einen Differentialverstärker 3', in dem der Basisanschluß des Transistors 24 mit Anschlußpunkt 22 verbunden ist. während der Basisanschluß des Transistors 23 mit einem negativen Anschluß 251 einer Bezugsspannungsquelle 25 verbunden ist Die Emitteranschlüsse der Transistoren 23 und 24 sind zusammengeschaltet und über eine Konstantstromschaltung 101 an den Anschlußpunkt 19 geführt. Mit den Kollektoranschlü&sen der Transistoren 23 und 24 sind die entsprechenden Kollektoranschlüsse von zwei npn-Transistoren 26 und 27 verbunden, die so geschaltet sind, daß sie eine spiegelbildliche Schaltung 3" bilden.
ίο Die Emitteranschlüsse der Transistoren 26 und 27 sind mit dem negativen Anschluß 30 der Stromquelle verbunden. Der Basisanschluß eines pnp-Transistors 28 ist mit dem negativen Anschluß 251 der Bezugsspannungsquelle 25 verbunden; der Emitteranschluß dieses Transistors ist mit Anschlußpunkt 22 und sein Kollektoranschluß mit dem Emitter des ersten Transistors 11 verbunden. Der Verbindungspunkt der Kollektoranschlüsse der Transistoren 24 und 27 ist mit der Basis eines pnp-Transistors 31 verbunden, dessen Emitter über eine Konstantstromschaltung 29 mit dem Anschlußpunkt 19 verbunden ist, während der Kollektoranschluß des Transistors 31 mit dem negativen Anschluß 30 der Stromquelle verbunden ist Die Basis eines Transistors 33 ist mit dem Emitter des Transistors 31 verbunden, während der Kollektor des Transistors 33 mit dem Anschlußpunkt 19 verbunden ist. Der Emitter dieses Transistors 31 ist mit den Basisanschlüssen des ersten Transistors 11 und der zweiten Transistoren 12—14 und über Widerstand 32 mit dem negativen Anschluß 30 der Stromquelle verbunden. Ein veränderlicher Widerstand 34 wird zur Einstellung der Drehzahl verwendet und ist zwischen den A.nschlußpunkt 22 und Anschlußpunkt 19 eingesetzt. Eine Konstantstromschaltung 35 ist zwischen den Anschlußpunkt 19 und den negativen Anschluß 30 der Stromquelle geschaltet. Zweck der Konstantstromschaltung 35 ist es, Veränderungen des durch den Anschlußpunkt 19 fließenden Stroms bei Veränderungen des Kollektorstroms des Transistors 33 zu verhindern.
Die Drehzahlregelung mit Hilfe des in Fig.2 dargestellten Ausführungsbeispiels geschieht wie folgt:
1. Vorgänge bei Erhöhung der Drehzahl: Wenn die Drehzahl des Motors einen vorgegebenen Wert überschreitet, übersteigt die Gegen-EMK Ea des Gleichstrommotors 9 einen vorgegebenen Wert und damit sinkt das Potential am Anschlußpunkt 22 unter einen bestimmten Wert ab. Durch diese Abnahme des Potentials am Anschlußpunkt 22 kommt ein Anstieg der Basisvorspannung des Transistors 23 zustande, der einen Teil des Differentialverstärkers 3' bildet. Die Basisspannung übersteigt damit die des anderen Transistors 24, wodurch der Kollektorstrom des Transistors 23 und damit der Kollektorstrom des Transistors 26 zunehmen. Der Kollektorstrom des Transistors 27, der zur spiegelbildlichen Schaltung 3" gehört, nimmt auch zu, wodurch der Basistrom des pnp-Transistors 31 ansteigt (der Basisstrom fließt vom Basisanschluß des Transistors 31 an den Kollektoranschluß des Transistors 27). Die weitere Folge ist, daß der
bo Emitterstrom des Transistors 31 ansteigt. Da der Emitterstrom des Transistors 31 und der Basistrom des Transistors 33 von der gemeinsamen Konstantstromschaltung 29 kommen, nimmt der Basisstrom des Transistors 33 zu dem Zeitpunkt ab, zu dem der Emitterstrom des Transistors 31 zunimmt. Die Folge ist, daß die Basisströme und damit auch die Kollektorströme des ersten Transistors 11 und der zweiten Transistoren 12—14 abnehmen. Durch diese Abnahme
der Kollektorströme der zweiten Transistoren 12—14 wird der den Gleichstrommotor durchfließende Strom reduziert, was wiederum eine Verringerung der Drehzahl zur Folge hat. Diese Regelung zur Verringerung der Drehzahl des Motors hält an, bis die Gegen-EMK auf einen vorgegebenen Wert gekommen ist, wodurch dann die Basisvorspannungen der Transistoren 23 und 24 des Differentialverstärkers 3' ins Gleichgewicht kommen.
2. Vorgänge bei Verringerung der Drehzahl: Wenn die Drehzahl des Motors unter einen vorgegebenen Wert absinkt, sinkt auch die Gegen-EMK Ea des Gleichstrommotors 9 unter einen vorgegebenen Wert ab und damit steigt das Potential an Anschlußpunkt 22 über einen vorgegebenen Wert an. Durch diesen Anstieg des Potentials am Anschlußpunkt 22 wird die Basisvorspannung des Transistors 23, der einen Teil des Differentialverstärkers 3' bildet, verringert. Die Basisvorspannung wird damit kleiner als die des anderen Transistors 24, und dadurch werden der Kollektorstrom dieses Transistors und auch der des Transistors 26 verringert. Die weitere Folge ist, daß auch der Kollektorstrom des Transistors 27, der einen Teil der spiegelbildlichen Schaltung 3" bildet, abnimmt, wodurch der Basisstrom des pnp-Transistors 31 reduziert wird. Dadurch wird auch der Emitterstrom des Transistors 3t verringert. Die Folge dieser Verringerung des Emitterstroms des Transistors 31 ist ein Anstieg des Basisstroms des Transistors 33. Dies hat wiederum zur Folge, daß die Basisströme und damit auch die Kollektorströme des ersten Transistors 11 und der zweiten Transistoren 12—14 zunehmen. Durch diese Zunahme der Koiiektorströme der zweiten Transistoren 12—14 wird der Motorstrom erhöht und die Drehzahl steigt an. Diese Regelung zur Erhöhung der Drehzahl hält an, bis die Gegen-EMK auf einen vorgegebenen Wert gekommen ist. wodurch die Basisvorspannungen der Transistoren 23 und 24 des Differentialverstärkers 3' ins Gleichgewicht kommen.
3. Ursache des hohen maximalen steuernden Drehmoments: Bei der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung ist es von Bedeutung, daß das maximale Steuerdrehmoment des Gleichstrommotors sehr hoch ist. Das maximale Steuerdrehmoment ist der Maximalwert des Drehmoments, das die Drehzahl auf einem Nennwert hält. Das maximale Steuerdrehmoment wird erreicht, wenn das Potential am Anschlußpunkt 22 den kleinsten Wert annimmt. Wenn die zweiten Transistoren 12—14 deshalb im Sättigungsbereich arbeiten, wird das maximale Steuerdrehmoment groß.
In der obenerwähnten, in Fig. 2 dargestellten Schaltungsanordnung ist der Anschlußpunkt 19 mit dem Kollektoranschluß des Transistors 33 verbunden, wodurch durch den Emitter die Basisströme der Transistoren 11 —14 geschickt werden. Da die Bezugsspannungsquelle 25 für die Spannung Vref einerseits an Anschlußpunkt 19 und andererseits an den Basisanschluß des Transistors 28 angeschlossen ist (dessen Emitteranschluß an den Anschlußpunkt 22 geführt ist), überschreitet das Potential des Anschlußpunkts 19 das des Anschlußpunkts 22 um die Bezugsspannung Vrcr(Vrer beträgt gewöhnlich etwa 1.2 Volt). Das Kollektorpotential des Transistors 33 ist damit höher als das der zweiten Transistoren 12—14. Der Transistor 33 kann damit Ströme an die Basisanschlüsse der zweiten Transistoren 12—14 liefern, die zur Sättigung dieser Transistoren ausreichen. Durch die Sättigung der Transistoren 12—14 wird ein starker Motorstrom zugeführt, wie im folgenden noch erläutert werden wird. Das maximale Steuerdrehmoment ΦΠΜ>, das bei den obenerwähnten, zur Sättigung ausreichenden Basisströmen auftritt, ist gegeben durch die folgende Gleichung:
- vlT
R1, +
wobei Κ, die Drehmomentkonstante des Gleichstrommotors 9, V(( die an Anschlüssen 21 und 30 auftretende Spannung der Stromquelle, £aodie Gegen-EMK bei der Nenndrehzahl, V«· die Kollektor-Emitter-Sättigungsspannung der Transistoren 12—*4, R, den inncnwiderstand des Gleichstrommotors und R00 den äquivalenten Widerstand der Widerstände 16—18 (d. h. n-ten Teil des Widerstandswerts jeder der Widerstände 16—18 bei η Widerständen 16—18) bedeuten.
Wenn z. B. in der in Fig.2 dargestellten Schaltungsanordnung K,=96g ■ cm/A, V„.=4,5V, V„=0,5V, Eao = 2,45 V, Ä3 = 6,3ß und /?«,= 1 Ω, ist so erhält man durch Rechnung für das maximale Steuerdrehmoment
Φ,,,,, = 96
(2)
Dieser Wert des maximalen Steuerdrehmoments ist damit für den speziellen Gleichstrommotor etwa doppelt so groß wie der, der mit bekannten Drehzahlreglern erreicht wird.
4. Ursache des hohen anfänglichen Drehmoments: Weiterhin ist es bei der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung von Bedeutung, daß das anfängliche Drehmoment des geregelten Gleichstrommotors sehr groß ist. Dieses hohe anfängliche Drehmoment ergibt sich aus folgenden Gründen.
Wenn in dem beschriebenen, in Fig.2 dargestellten Ausführungsbeispiel der Gleichstrommotor blockieri wird, wird die Gegen-EMK, und das Potential am Anschlußpunkt 22 nimmt damit beträchtlich zu. Als Folge dieser Zunahme des Potentials sinkt die Basisvorspannung des Transistors 23 ab, damit nimmi der Kollektorstrom dieses Transistors ab, der Kollektorstrom des Transistors 26 nimmt ebenfalls ab, und dementsprechend nimmt der Kollektorstrom de« Transistors 27 ab. Als weitere Folge nimmt dei Basisstrom des Transistors 31 ab. Da der gesamte, au; dem Emitterstrom des Transistors 31 und den" Basisstrom des Transistors 33 bestehende Strom vor der Konstantstromschaltung 29 gesteuert wird, nimmi der Basisstrom des Transistors 33 infolge der Abnahme des Emitterstroms des Transistors 31 zu. Die Basisströ· me des ersten Transistors 11 und der zweiter Transistoren 12—14 nehmen deshalb zu, und infolgedes sen nimmt das Potential am Anschlußpunkt 22 ab. Eir starker Motorstrom fließt damit durch den Gleich strommotor 9.
Wenn das Verhältnis des gesamten Kollektorstrom! In der zweiten Transistoren 12—14 zum Kollektorstron IcU des ersten Transistors 11 KxSl, d.h. für K=IcJIcW fließt ein Strom, der der K-te Teil des Stroms durch dei Motor ist, durch den Anschlußpunkt 19 (und an dei Kollektoranschluß des Transistors 11). Es wird hierbe
angenommen, daß die Summe der Ströme durch die Konstantstromschaltung 29 und 101, des Kollektorstroms des Transistors 33 und des Stroms durch die Bezugsspannungsquelle 25 vernachlässigbar klein gegenüber dem Kollektorstrom des ersten Transistors 11 ist. Wenn man deshalb den Widerstandswert des Widerstands 20 gleich K ■ R„ wählt (wobei /?,, den Widerstand des Gleichstrommotors bezeichnet), können die Potentiale der Anschlußpunkte 19 und 22 gleich gemacht werden. Durch diese Wahl werden nämlich die Spannungsabfälle am Widerstand und am Gleichstrommotor 9 einander gleich. In diesem Fall gleichen sich die Basispotentiale der Transistoren 23 und 24 nicht. Das Potential an der Basis des Transistors 24 ist um die von der Bezugsspannungsquelle 25 erzeugte Bezugsspannung Vrer kleiner als das Potential am Transistor 23. Durch diese Verringerung des Basispotentials des Transistors 24 wird auch das Basispotential des Transistors 28 verringert und damit wird die Basisvorspannung des Transistors 28 erhöht. Die Folge ist, daß auch der Kollektorstrom dieses Transistors ansteigt. Da der Kollektorstrom des Transistors 28 durch den Emitterwiderstand 15 des ersten Transistors 11 fließt, wird das Emitterpotential des ersten Transistors 11 erhöht. Damit ist die Bedingung nicht mehr erfüllt, daß die von den Transistoren 11 — 14 gebildete spiegelbildliche Schaltung das gleiche Potential aufweist. Der Kollektorstrom des ersten Transistors 11 wird damit kleiner als der jedes der zweiten Transistoren 12—14. Durch diese Verringerung des Kollektorstroms des Transistors 11 wird der Spannungsabfall am Widerstand 20 kleiner als eier am Gleichstrommotor 9. Dadurch wird das Potential am Anschlußpunkt 19 über das am Anschlußpunkt 22 angehoben. Durch die Erhöhung des Potentials am Anschlußpunkt 19 wird die Kollektorspannung des Transistors 33 erhöht und damit steigt auch der Kollektorstrom des Transistors 33. Infolge der Erhöhung des Kollektorstroms des Transistors 33 wird es möglich, den Basisanschlüssen der Transistoren 12—14 zur Sättigung dieser Transistoren ausreichende Ströme zuzuführen. Die Kollektorströrne der zweiten Transistoren 12—14, d. h. der durch Gleichstrommotor 9 fließende Strom, nehmen damit beträchtlich zu.
Das anfängliche Drehmoment Φ, des Gleichstrommotors 9 ist gegeben durch die folgende Formel:
Φ, = K1
K - Kr
Nimmt man an, daß die Konstanten der Schaltung die gleichen wie im Falle der mit Formel (2) durchgeführten Berechnungen sind, so erhält man für das anfängliche Drehmoment $s:
Φ, = 96
cm.
Dieser Wert ist etwa doppelt so groß wie der üblicherweise mit bekannten Reglern erhaltene Wert
F i g. 3 zeigt den Zusammenhang zwischen Drehmoment und Drehzahl von Gleichstrommotoren. Kurve A zeigt die Drehzahl bei Drehzahlregelung mit der bekannten Schaltungsanordnung. Kurve B zeigt die Drehzahl im Falle der Drehzahlregelung mit der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung.
Auf der Abszissenachse ist das Drehmoment in g · cm aufgetragen: auf der Ordinatenachse ist die Drehzahl in Umdrehung pro Minute angegeben. Aus Fig. 3 ersieht ■j man, daß das maximale Steuerdrehmoment, oberhalb dessen die Drehzahl vom Nennwert abweicht, fast doppelt so groß ist wie im Falle der bekannten Schaltungsanordnung. Das anfängliche Drehmoment, d. h. das Drehmoment am Anstieg der Kurve ist
ίο ebenfalls fast doppelt so groß wie bei der bekannten Schaltungsanordnung.
In einem abgeänderten, in Fig.4 dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Schaltung einfacher als im Falle der Fi g. 2 aufgebaut, doch ähnelt die Betriebsart
r> dem vorhergehenden Ausführungsbeispiel. Der Hauptunterschied ergibt sich daraus, daß ein pnp-Transistor 36 anstelle des npn-Transistor 33, des zugehörigen pnp-Transistors 31 und der Konstantstromschaltung 29 verwendet wird. Ferner ist der in Fig. 2 dargestellte Transistor 28 weggelassen. Die Basisanschlüsse der Transistoren 23 und 24 in Differentialverstärker 3' sind mit dem negativen Anschluß 251 der Bezugsspannungsquelle 25 bzw. mit dem Anschlußpunkt 22 verbunden. Die Basis des Transistors 36 ist mit den Kollektoren der Transistoren 24 und 27 verbunden; der Emitter des Transistors 36 ist an Anschlußpunkt 22 geführt.
Bei Drehzahländerungen geht die Regelung der Drehzahl beim Ausführungsbeispiel der Fig.4 in der folgenden Weise vor sich.
1. Vorgänge bei Erhöhung der Drehzahl: Wenn die Motordrehzahl einen vorgegebenen Wert überschreitet, übersteigt die Gegen-EMK einen bestimmten Wert, und damit sinkt das Potential am Anschlußpunkt 22 unter einen bestimmten Wert ab. Durch Verringerung des Potentials am Anschlußpunkt 22 steigt die Basisvorspannung des Transistors 24 im Differentialverstärker 3' an, wodurch die Basisvorspannung größer als die des anderen Transistors 23 wird. Der Kollektorstrom des Transistors 24 steigt dementsprechend an, und damit nimmt der Kollektorstrom des Transistors 23 ab; dadurch nehmen auch die Kollektorströme der Transistoren 26 und 27 ab. Die Abnahme des Kollektorstroms des Transistors 27 führt zu einer Verringerung des Basisstroms des Transistors 36, wodurch sein Kollektorstrom abnimmt und deshalb auch die Basisslröme des ersten Transistors 11 und der zweiten Transistoren 12—14 verkleinert werden. Durch diese Abnahme der Basisströme nehmen die Kollektorströme der zweiten Transistoren 12—14 ab. Dies hat eine Verringerung der Motordrehzahl zur Folge. Diese Steuerwirkung zur Verringerung der Drehzahl hält an. bis die Gegen-EMK wieder den vorgegebenen Wert erreicht hat. Dann kommen die Basisvorspannungen der Transistoren 23 und 24 des Differentialverstärkers 3' ins Gleichgewicht.
2. Vorgänge bei Erhöhung der Drehzahl: Wenn die Motordrehzahl unter einen vorgegebenen Wert abfällt, sinkt die elektromotorische Gegenkraft unter einen bestimmten Wert ab, und damit steigt das Potential am
bo Anschlußpunkt 22 über einen vorgegebenen Wert an. Durch diesen Anstieg des Potentials am Anschlußpunkt 22 sinkt die Basisvorspannung des Transistors 24 des Differentialverstärkers 3' ab, wodurch die Basisvorspannung kleiner als die des anderen Transistors 23 wird.
b5 Der Kollektorstrom des Transistors 24 nimmt deshalb ab, und der Kollektorstrom des Transistors 23 nimmt deshalb zu. Dadurch steigen die Kollektorströme der Transistoren 26 und 27 an. Der Anstieg des Kollektor-
Stroms des Transistors 27 hat zur Folge, daß der Basisstrom des Transistors 36 ansteigt, wodurch sein Kollektorstrom zunimmt und damit auch die Basisströme des ersten Transistors 11 und der zweiten Transistoren 12—14 zunehmen. Durch diese Zunahme der Basisströme nehmen auch die Kollektorströme der zweiten Transistoren 12—14 zu. Dies hat eine Erhöhung der Drehzahl des Motors zur Folge.
3. Ursache des hohen anfänglichen Drehmoments: Wenn im Falle des in F i g. 4 dargestellten Ausführungsbeispiels der Gleichstrommotor blockiert wird, sinkt die Gegen-EMK. des Motors auf den Wert null ab. Die Folge ist, daß das Potential am Anschlußpunkt 22 beträchtlich ansteigt. Dieser Anstieg des Potentials hat zur Folge, daß die Basisvorspannung des Transistors 24 abnimmt und daß deshalb sein Kollcktorstrom auch abnimmt. Der Kollektorstrom des Transistors 23 und damit auch die Kollektorströme der Transistoren 26 und 27 steigen dementsprechend an. Der Basisstroni des Transistors 36, der auch in den Kollektoranschluß des Transistors 27 fließt, steigt deshalb an. Der Strom /o der Konstantstromschaltung 38 ist so eingestellt, daß durch diesen Strom eine Sättigung des Transistors 36 hervorgerufen wird. Wenn die Basisströme des ersten Transistors 11 und der zweiten Transistoren 12—14 durch die Sättigung des Transistors 36 zunehmen, nehmen auch die Kollektorströme der Transistoren 11 — 14 zu. Das Potential am Anschlußpunkt 22 sinkt dementsprechend ab, wodurch dem Gleichstrommotor 9 ein starker Strom eingespeist wird.
Nimmt man an, daß das Verhältnis des Gesamtwerts la der Kollektorströme der zweiten Transistoren 12—14 zum Wert des Kollektorstroms lcn des ersten Transistors 11 gleich K ist, d. h., daß K= L/hu, so fließt ein Strom, der etwa den K-ten Bruchteil des Motorstroms ausmacht, durch den Anschlußpunkt 19 und damit auch in den Kollektoranschluß des Transistors 11. (Es wird angenommen, daß der Gesamtstrom durch Konstantstromschaltung 38 und der Strom durch die Bezugsspannungsquelle 25 gegenüber dem Kollektorstrom des ersten Transistors 11 vernachlässigbar klein sind.) Wählt man daher für den Widerstand 20 den Wert K ■ R1, (wobei R2 den Widerstand des Gleichstrommotors bedeutet), so können die Potentiale an den Anschlußpunkten 19 und 22 gleich gemacht werden. Der Spannungsabfall am Widerstand ist damit gleich dem Spannungsabfall am Gleichstrommotor^ In diesem Fall sind die Spannungen an den Basisanschlüssen der Transistoren 23 und 24 nicht einander gleich. Das Potential am Basisanschluß des Transistors 23 sinkt unter das des Transistors 24 um den Wert der Bezugsspannung Vrcr ab, die vom Generator 25 erzeugt wird. Durch diese Abnahme der Basisspannung des Transistors 23 wird der Differentialverstärker 3' so ausgesteuert, daß er den Transistor 23 einschaltet und eingeschaltet hält und den Transistor 24 abschaltet und abgeschaltet hält.
Wenn bei einer Blockierung des Motors Vl die Spannung zwischen dem Anschlußpunkt 22 und Klemme 30, Va die an den Anschlüssen 21 und 30 für die Stromversorgung angelegte Spannung, R00 den äquivalenten Widerstand der Widerstände .16—18 (d.h. den /7-ten Teil des Widerstandswertes jeder der Widerstände 16-18 bei η Widerständen 16-18), R3 den Innenwiderstand des Gleichstrommotors, V/,e„ die Basis-Emitter-Spannung der zweiten Transistoren 12—14 (wenn sie alle eingeschaltet sind), und Vc<xx> die Kollektor-Emitter-Spannung im Sättigungszustand des
Transistors 36 bedeuten, so ist die Spannung Vi. durch die folgende Formel gegeben:
= (R1JRJ · V11 - (R1JRJ · Vi + K„„, + K,,„,
Löst man Gleichung (5) nach V1 auf, so erhält man: V1(R1JR1, + 1) = (R1JRJVn + V,m + VmM
Durch eine Umformung erhält man für die Spannung zwischen dem Anschlußpunkt 22 und der Klemme 30:
y =
(R1JRJ + ι
Nimmt man für ein Beispiel in der in Fig.4 dargestellten Schaltung an, daß ^=6,3Ω, Rw=l,0fi, Vi,cn=0,8V, Vn-J36 = O1I V und V„ = 4,5V vorliegen, so erhält man für die Spannung V/. an den Punkten 22 und 33:
(1,0/6,3) - 4,5 + 0,8 + 0,1
(1,0/6,3)
Der Strom // zum Zeitpunkt der Blockierung beträgt:
K. -
R„
Setzt man die Werte V«.=4,5V, VL= 1,39 V und /?.,=6,3 Ω in Gleichung (9) ein, so erhält man den hohen Blockierungsstrom Il=0,494 A.
Das anfängliche Drehmoment <i>s des Gleichstrommotors erhält man durch Multiplikation der Drehmomentkonstanten K1=Qf) g · cm/A mit dem Blockierungsstrom //.:
Φ, = K, ■ I1. = 96
(10)
Setzt man 4=0,494 A in Gleichung (10) ein, so erhält man für das anfängliche Drehmoment:
Φ,=96 · 0,494=47,4 g ■ cm .
Dieses anfängliche Drehmoment von 47,4 g · cm ist viel größer als der Durchschnittswert von etwa 20 g · cm, der mit bekannten Drehzahlschaltungen erreicht werden kann.
Bei der praktischen Ausführung der in Fig.4
bo dargestellten Schaltungsanordnung in Form einer integrierten Schaltung mit Halbleitern muß der pnp-Transistor 36 als bekannter vertikal angeordneter Transistor ausgebildet werden, d. h. Kollektoranschluß, Basisanschluß und Emitteranschluß folgen einander in Vertikalrichtung in bezug auf die Hauptfläche des Halbleiter-Trägerplättchens. Man erhält dann eine brauchbare Sättigung der zweiten Transistoren 12—14 und damit einen ausreichenden Blockierungsstrom für
den Gleichstrommotor. Die vertikale Ausführungsform ist für den speziellen Zweck aus folgenden Gründen notwendig. Um einen hohen Motorstrom zu erzielen, müssen die Basisströme der zweiten Transistoren 12—14 sehr groß sein, was bedeutet, daß auch der Kollektorstrom des Transistors 36 groß sein muß. Nimmt man als Beispiel an, daß für hrEs der zweiten Transistoren 12—14 ein Wert von 50 oder mehr vorliegt und daß der gesamte Motorstrom im gesperrten Zustand 0,494 A beträgt, so muß der gesamte Basisstrom der Transistoren 12—14, der durch IJhFi: gegeben ist, etwa 9,9 mA betragen. Um derartig hohe Basisströme für die Transistoren 12—14 zu erreichen, muß der Kollektor- und Emitterstrom des Transistors 36 9,9/Λρ£36 mA betragen, wobei Λγώθ den Stromverstärkungsfaktor des Transistors 36 bezeichnet. In einer bekannten seitlichen Ausführungsform von pnp-Transistoren, die einen hohen Stromverstärkungsfaktor haben, muß ein starker Basisstrom dem Transistor 36 vom Differentialverstärker zugeführt werden, was große Schwierigkeiten mit sich bringt. Wenn dagegen ein vertikaler pnp-Transistor, der im allgemeinen einen ausreichend hohen Stromverstärkungsfaktor hat, verwendet wird, kann der Basisstrom des Transistors 36 beträchtlich kleiner sein.
Bei Verwendung der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung zur Drehzahlregelung eines Plattenspielers ergibt sich als Vorteil der rasche Anstieg der Drehzahl, da hier das anfängliche Drehmoment sehr groß ist.
Verwendet man die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung in einem Tonbandgerät, so ergibt sich als Vorteil, daß sogar eine beträchtliche Erhöhung der Belastung durch starke Reibung des Bandes nicht zur Blockierung des Motors führt, da das maximale Steuerdrehmoment sehr hoch ist.
Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

Patentansprüche:
1. Schaltungsanordnung zum Regeln der Drehzahl eines Gleichstrommotors mit:
(a) einer Stromquelle zur Versorgung des Gleichstrommotors,
(b) einer Bezugsspannungsquelle zur Erzeugung einer Sollspannung, die mit der der Drehzahl des Gleichstrommotors entsprechenden Istspannung verglichen wird,
(c) einer Steuerschaltung zum Steuern der Stromzufuhr an den Gleichstrommotor,
(d) einer Stromregelschaltung zum Steuern der Steuerschaltung in Abhängigkeit von der Istspannungs-Sollspannungs-Differenz,
dadurch gekennzeichne*, daß
(e) die Steuerschaltung (1') einen ersten Transistor (11) aufweist, dessen Kollektor über einen ersten Widerstand (20) mit einem ersten Anschluß (21) der Stromquelle und dessen Emitter über einen zweiten Widerstand (15) mit dem zweiten Anschluß (30) der Stromquelle verbunden ist und
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