DE3141190A1

DE3141190A1 - Einrichtung zur geschwindigkeitssteuerung fuer einen gleichstrommotor

Info

Publication number: DE3141190A1
Application number: DE19813141190
Authority: DE
Inventors: Akira Oora Gunma Tsukihashi
Original assignee: Tokyo Sanyo Electric Co Ltd; Sanyo Electric Co Ltd
Current assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Priority date: 1980-10-17
Filing date: 1981-10-16
Publication date: 1982-04-29
Also published as: FR2492607B1; US4427931A; DE3141190C2; FR2492607A1

Description

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Die vorliegende Erfindung betrifft im allgemeinen eine Einrichtung zur Geschwindigkeitssteuerung für einen Gleichstrommotor. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung eine Einrichtung zur Geschwindigkeitssteuerung zum Steuern einer konstanten Rotationsgeschwindigkeit eines Gleichstrommotors durch Steuern des elektrischen Stromes, mit dem ein Brückenschaltkreis gespeist wird, der einen Anker des Gleichstrom motors, dessen Geschwindigkeit gesteuert werden soll, aufweist.

Bisher wurde in der Praxis eine kontaktlose Einrichtung zur Steuerung der Geschwindigkeit, die als ein elektronischer Regler bezeichnet wird, zum Steuern der Geschwindigkeit eines Kleinmotors, der als Primärmotor für beispielsweise einen Bandrekorder angewendet wird, verwendet. Fig. 1 zeigt ein schematisches Schaltbild für ein Beispiel eines herkömmlichen elektronischen Reglers, der den Hintergrund der vorliegenden Erfindung darstellt. Wie aus der Fig. 1 ersichtlich, ist ein Brükkenschaltkreis 1 aus den Widerständen 2, 3 und 4 und dem Anker 5 eines Gleichstrommotors gebildet. 33er Emitter-Kollektor-Weg eines Speise-Steuer-Transistors 7 ist zwischen einer Speiseklemme A des Brückenschaltkreises und einer Gleichstromquelle 6 geschaltet. Die Basis eines Detektortransitors 8 ist mit einer Klemme C zum Detektieren einer nicht abgeglichenen Spannung des Brückenschalt·= kreises 1 verbunden. Die andere Klemme B zum Detektieren der nicht abgeglichenen Spannung ist mit dem Emitter des Detektortransistors 8 über eine Diode 9 zur Erzeugung einer Bezugsspannung, verbunden. Der Kollektor des Detektortransistors 8 ist direkt mit der Basis des Speise-Steuer-Transistors 7 verbunden. Der Emitter des Detektortransistors 8 ist mit der Erde über einen Widerstand 10 verbunden, über den ein Durchlaßstrom durch die Diode 9 fließen kann, wobei der Durchlaß-Spannungsabfall als eine

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Bezugsspannung für den Transistor 8 verwendet wird. Eine Veränderung der elektromotorischen Gegenkraft im Anker proportional zur Veränderung der Umdrehungszahl des Motors wird durch Detektieren einer Differenzspannung zwischen der nicht abgeglichenen Spannung des Brückenschaltkreises 1 und der , durch den Transistor 8 an die Diode 9 angelegten Bezugsspannung ermittelt. Die detektierte Differenzspannung wird durch den Transistor 8 verstärkt und an die Basis des Speise-Steuer-Transistors angelegt. Der Speise-Steuer-Transistor 7 wird leitend mit einem spannungsabhängigen Grad von Leitfähigkeit proportional zu der an seine Basis angelegten Differenzspannung, wodurch die Größe der an die Speiseklemme A des Brükkenschaltkreises 1 angelegten Gleichstromspannung gesteuert wird. Somit wird die Steuerung so ausgeführt, daß die elektromotorische Gegenkraft am Anker 5 konstant sein kann, wodurch der den Anker aufweisende Gleichstrommotor mit einer konstanten Geschwindigkeit geregelt ist.

Mit einem derartigen, wie in der Fig. 1 dargestellten, herkömmlichen elektronischen Regler wird zwischen dem Emitter und der Basis des Speise-Steuer-Transistors ein Spannungsabfall verursacht, weil der zwischen der Gleichstrom-Spannungsquelle 6 und dem Brückenschaltkreis 1 eingesetzte Speise-Steuertransistor 7 in einem linearen Be-

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reich arbeitet. Demgemäß hat ein derartiger, herkömmlicher elektronischer Regler den Nachteil, daß der Stromverbrauch infolge dieses Spannungsabfalls erhöht ist, und daß, wenn eine Batterie als Gleichstrom-Spannungsquelle 6 verwendet wird, die Lebensdauer der Batterie kürzer wird. Genauer gesagt, da ein derartiger, herkömmlicher elektronischer Regler die Geschwindigkeitssteuerung eines Gleichstrommotors durch Verändern eines Spannungsabfalls an einer inneren Impedanz eines Speise-Steuer-Transistors 7 bewirkt, besteht das Problem, daß infolge dieses Spannungsabfalls unvermeidlich ein Leistungsverlust erzeugt wird.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Einrichtung zur Geschwindigkeitssteuerung eines Gleichstrommotors zu schaffen, bei der,verglichen mit herkömmlichen Einrichtungen, der Energieverbrauch verringert werden kann.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Einrichtung zur Geschwindigkeitssteuerung für einen Gleichstrommotor,gekennzeichnet durch eine Reihenschaltung aus einem Schaltelement und einer Drosselspule, die

in einem Strompfad zwischen einem BrUckenschaltkreis mit einem Anker des Gleichstrommotors in dessen einem Zweig und einer Gleichstromspannungsquelle eingesetzt sind. Das Schaltelement wird in Abhängigkeit vom Detektieren einer nicht abgeglichenen Spannung des Brük-

ein- oder,
kenschaltkrdses/ausgeschaltet. Wenn das Schaltelement eingeschaltet ist, wird dem Brückenschaltkreis von der Gleichstrom-Spannungsquelle ein Strom über das Schaltelement und die Drosselspule zugeführt. Wenn das Schaltelement ausgeschaltet ist, wird von der Gleichstrom-Spannungsquelle kein Strom zugeführt und dem Brükkenschaltkreis wird eine elektromotorische Kraft zugeführt, die durch eine vorher in der Drosselspule gespeicherte magnetische Kraft induziert worden ist.

Eine Diode oder ein Transistor ist zur Bildung eine£ geschlossenen Schleife vorgesehen, um die induzierte elektromotorische Kraft von der Drosselspule zum Brückenschaltkreis zu leiten.

Gemäß der vorliegenden Erfindung fließt während einer Zeitdauer, in der das Schaltelement ausgeschaltet ist, kein Strom von der Gleichstrom-Spannungsquelle und demgemäß wird vom Prinzip her jeglicher Energieverlust infolge eines Spannungsabfalls, wie bei einem herkömmlichen elektronischen Regler, vermieden. Demgemäß kann gemäß der

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vorliegenden Erfindung der Stromverbrauch verglichen mit dem bisherigen drastisch verringert werden, und die Lebensdauer einer Batterie kann selbst für den Fall verlängert werden, daß diese als die Gleichstrom-Spannungsquelle verwendet wird. Da bereits bei dem herkömmlichen elektronischen Regler in Verbindung mit einer Geschwindigkeitssteuerung ein Brückenschaltkreis verwendet wird, wird die Schaltung gemäß der vorliegenden Erfindung nicht kompliziert. Während einer Zeitdauer, in der das Schaltelement ausgeschaltet ist, wird kein Strom von der Gleichstrom-Spannungsquelle zugeführt, und demgenäß wird während dieser Zeitdauer dem Brückenschaltkreis kein Strom zugeführt, falls keine Drosselspule vorgesehen ist und die Umdrehungszahl des Motors nicht die bevorzugte ist. Gemäß der vorliegenden Erfindung ist Jedoch die Drosselspule in einem Stromweg zwischen dem Schaltelement und dem Brückenschaltkreis angeordnet, und daher fließt während einer Zeitdauer, in der das Schaltelement ausgeschaltet ist, infolge der in der Drosselspule gespeicherten magnetischen Energie ein Strom in den Brückenschaltkreis, wodurch die vorstehend beschriebenen Nachteile vermieden werden.

Beispielsweise kann ein Transistor als Schaltelement verwendet werden. Der Transistor arbeitet im eingeschalt

Kl

teten Zustand in einem gesättigten Bereich. Somit wird zwar ein Transistor als Schaltelement verwendet, jedoch wird der Zustand des Transistors nur zwischen einem Sperrzustand und einem gesättigten Zustand umgeschaltet, und in einem derartigen Schalttransistor findet kein Spannungsabfall statt.

In einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist ein erster Kondensator vorzugsweise parallel zum Anker des Motors geschaltet. Ein Ende des Ankers dient als ein Punkt zum Detektieren einer nicht abgeglichenen Spännung und das andere Ankerende ist .mit der Erde verbunden. Ein Detektor element, wie beispielsweise ein Transistor,ist mit dem Punkt zum Detektieren der nicht abgeglichenen Spannung verbunden. Daher ist die Funktionsweise des Detektortransistors durch den ersten Kondensator bestimmt und hieraus resultiert die Ein- und Ausschaltdauer des Schalterelementes. Somit kann bei der beschriebenen Ausführungsform die Wiederholungszeitdauer zwischen dem Ein- und Ausschaltzustand des Schaltelementes durch Zusammenwirken des ersten Kondensators mit der Drosselspule begrenzt werden.

Durch die Verwendung eines Transistors zur Bildung einer geschlossenen Schleife, damit ein Strom infolge der in der Drosselspule gespeicherten magnetischen Energie

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durch den Brückenschaltkreis und damit den Anker des Motors fließen kann, findet kein Spannungsabfall statte und der vorstehend beschriebene Strom kann, verglichen mit dem Fall, bei dem eine Diode verwendet wird, wirksam zugeführt werden.

Bei einer anderen bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist ein zweiter Kondensator mit der Drosselspule an der Seite des Brückenschaltkreises, im wesentlichen parallel zum Brückenschaltkreis, verbunden. Ein Welligkeitsanteil in der an den Brückenschaltkreis angelegten Gleichstrom-Spannung wird wirksam durch den zweiten Kondensator beseitigt, -wodurefo eine stabilisiertere Geschwindigkeitssteuerung des Gleichstrommotors erzeugt werden kann.

Ein Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung beruht in einer Einrichtung zur Geschwindigkeitssteuerung für einen Gleichstrommotor, bestehend aus einer Reihenschaltung aus einem Schaltelement und einer Drosselspule, zwischen einem Brückenschaltkreis, der in einem Zweig einen Anker eines Motors aufweist, und einer Gleichstrom-Spannungsquelle, wobei dem Anker des Motors während einer Zeitdauer, in der das Schaltelement ausgeschaltet ist, durch die in der Drosselspul© gespeichertes

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4M -

magnetische Energie ein Strom zugeführt wird.

Ein anderer Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung beruht in einer Einrichtung zur Geschwindigkeitssteuerung für einen Gleichstrommotor, bei der ein Transistor als ein Schaltelement verwendet wird, der im eingeschalteten Zustand im gesättigten Bereich betrieben werden kann, wodurch ein Spannungsabfall am Transistor beseitigt ist.

Ein weiterer Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung beruht in einer Einrichtung zur Geschwindigkeitssteuerung für einen Gleichstrommotor, bei der dem Brükkenschaltkreis und damit dem Anker des Motors infolge der in der Drosselspule gespeicherten magnetischen Energie ein Strom zugeführt wird.

Ein weiterer Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung beruht in einer Einrichtung zur Geschwindigkeitssteuerung für einen Gleichstrommotor, bei der ein Kondensator parallel zur einem Anker eines Gleichstrommotors geschaltet ist, welcher :ur Begrenzung der Ein- und Ausschaltzeitdauer des Schaltelementes dient.

Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden anhand der folgenden Figuren im einzelnen beschrieben. Es.zeigt:

Fig. 1 ein schematisches Schaltbild für ein Beispiel eines herkömmlichen elektronischen Reglers, der den Hintergrund der vorliegenden Erfindung darstellt?

Fig. 2 ein schematisches Schaltbild einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;

Fig. 3 eine grafische Darstellung mit der statischen Kennlinie eines Transistors zur Erläuterung der Funktionsweise der Ausführungsform;

Fig. 4A bis 4E grafische Darstellungen der Wellenformen zur Erläuterung der Funktionsweise der Ausführungsform, wobei Fig. 4A den Grundstrom eines ersten Steuertransistors mit einer vorhandenen Welligkeit und einem Mittelwert zeigt, und die Figuren 4B, 4C und 4D die Kollektorspannung des Schalttransistors für verschiedene Werte des Vorspannungsstromes, darstellt und Fig. 4E eine Spannung Va am Versorgungspunkt A bei den vorstehend beschriebenen Fällen zeigt;

Fig. 5 eine grafische Darstellung eines Beispiels für die Anzahl der Umdrehungen in Abhängigkeit vom Last-Drehmoment eines Gleichstrommotors gemäß der Fig. 25 und

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/Ib

Fig. 6 ein schematisches Schaltbild einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.

Fig. 2 zeigt ein schematisches Schaltbild einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Wie aus der Fig. 2 ersichtlich, besteht ein Brückenschaltkreis 101 aus den Widerständen 102, 103 und 104 und einem Anker 105 eines Gleichstrommotors. Eine Gleichstrom-Spannungsquelle 106 ist zur Versorgung eines Speisepunktes A des Brückenschaltkreises 101 mit einer Gleichstromspannung vorgesehen. Eine Reihenschaltung aus einem Schalttransistor 107 und einer Drosselspule ist in einen Stromweg zwischen der Gleichstrom-Spannungsquelle 106 und dem Speisepunkt A eingesetzt. Der Schalttransistor 107 ist so geschaltet, daß dieser mittels der Transistoren 112 und 115, die Steuerelemente bilden, bezüglich des Ein- oder Ausschaltzustandes gesteuert ist.

Der Brückenschaltkreis 101 besteht aus zwei Punkten B und C zum Detektieren der unabgeglichenen Spannung, und der Anker 105 ist zwischen dem einen Punkt B zum Detektieren der nicht abgeglichenen Spannung und der Erde geschaltet, wodurch die eine Seite des Brückenschaltkreises 101 gebildet wird. Parallel zum Anker 105 ist

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Al

ein Kondensator 109 geschaltet, um die Ein-/Aus-Schaltdauer, d. h.. die Schwingfrequenz des Schalttransistors 107, zu begrenzen. Ein Detektorpunkt B ist mit dem Emitter eines Transistors 110 zum Detektieren einer nicht abgeglichenen Spannung verbunden, und der andere Detektorpunkt G zum Ermitteln der nicht abgeglichenen Spannung ist mit der Basis des Transistors 110 verbunden. Der Kollektor des Transistors 110 ist mit der Erde über einen Transistor 111 verbunden. Eine der Differenzspannung zwischen den Spannungen Vb und Vc an den beiden Detektorpünkten B und C zugeordnete Ausgangsspannung wird am Kollektor des Detektortransistors 110 erhalten.

Der Kollektor des Detektortransistors 110 zum Ermitteln der nicht abgeglichenen Spannung ist mit der Basis eines ersten Steuertransistors 112 über einen Widerstand 113 verbunden. Der Emitter des ersten Steuertransistors 112 ist direkt mit der Erde verbunden, und der Kollektor ist direkt mit der Basis eines zweiten Steuertransistors

115 und auch über einen Widerstand 114 mit der Plusklemme der Gleichstrom-Spannungsquelle 106, d. h. dem Emitter des Schalttransistors 107 verbunden. Der Emitter des zweiten Steuertransistors 115 ist direkt mit der Erde verbunden, und der Kollektor ist über einen Widerstand

116 mit der Basis des vorstehend beschriebenen Schalttran-

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31/,1190 ■

Ab

sistors 107 verbunden. Ein Glätttmgskondensator 117 ist im wesentlichen parallel zum Brückenschaltkreis 101 geschaltet, um einen Velligkeitsanteil an der Spannung Va am Speisepunkt A zu reduzieren.

Ein Merkmal der vorliegenden Erfindung ist es, daß, wenn das Schaltelement 107 eingeschaltet ist, dem Brückenschaltkreis 101 von der Gleichstrom-Spannungsquelle 106 ein elektrischer Strom zugeführt wird, und wenn das Schaltelement 107 ausgeschaltet ist,ein Strom zugeführt wird, der aus der magnetischen Energie, die während dem eingeschalteten Zustand des Schaltelementes 107 in der Drosselspule 108 gespeichert worden ist, stammt. Zu diesem Zweck ist eine Diode 118 zur Bildung einer direkt geschlossenen Schleife zusammen mjt der Drosselspule 108 und dem Brückenschaltkreis 101 vorgesehen. Genauer gesagt ist die Diode 118 mit entgegengesetzter Polrichtung zu der der Gleichstrom-Spannungsquelle 106, zwischen die Drosselspule 108 an der Gleichstrom-Spannungsquelle und der Erde geschaltet.

Es wird davon ausgegangen, daß die den Brückenschaltkreis 101 bildenden Gleichstromwiderstände der Widerstände 102, 103 und 104 und der Anker 105 des Motors R1, R2 und R3 und Ra sind. Es sei ferner angenommen, daß Eo die elektromotorische Gegenkraft für den Fall der

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Nennzahl der Umdrehungen des Ankers 105 des Motors, Vg_E die Spannung zwischen der Basis und dem Emitter des Detektortransistors 110, Im der Gleichstrom, der durch den Anker 105 fließt und 11 der Gleichstrom, der durch die Reihenschaltung der Widerstände 103 und 104 fließt, sind. Dann werden die folgenden Gleichungen (1) und (2) erhalten:

(R2 + R3)I1 = (R1 + Ra)Im + EO (D

R1 . Im + Vgg = R2 · II (2)

Durch Kürzen des elektrischen Stromes 11 in den vorstehenden Gleichungen (1) und (2) wird die folgende Gleichung (3').erhalten:

ττη - R2 + R3 _v R2 . Rm - R1 . R3 _Tm /, ,\ EO = _R2 Vgg _m Im (3·)

In der vorstehenden Gleichung (-3V) definiert der erste Ausdruck der rechten Seite die Geschwindigkeit des Gleichstrommotors und der zweite Ausdruck der rechten Seite ist der Lastcharakteristik des Gleichstrommotors zugeordnet. Tatsächlich ist der zweite Ausdruck hinreichend klein verglichen mit dem ersten Ausdruck der rechten Seite,und daher

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kann die Gleichung (3¹) wie

folgt ausgedrückt werden:

™ R2 + R3 _T,

Die entsprechenden Widerstandswerte R1, R2_f R3 und Ra sind vorher so ausgewählt, daß die folgende Formel (4) gilt:

R2 -Ra-RI · R3 > 0 (4)

Nachdem die baulichen Merkmale der Ausführungsform beschrieben worden sind, wird nun im folgenden die Funktionsweise der Ausführungsform gemäß der Fig. 2 beschrieben.

Wenn von der Gleichstrom-Spahnungsquelle«IO6 eine Spannung Vs gespeist wird, fließt ein Vorspannungsstrom durch den Widerstand 114 zum zweiten Steuertransistor 115. Der zweite Steuertransistor 115 wird dann in einen Ein-Zustand umgekehrt und der Schalttransistor 107 wird in einen Ein-Zustand durch die Wirkung der vorstehend beschriebenen UmIe hroperation des zweiten Steuertransistors 115 umgekehrt. Wenn der Schalttransistor 107 in den Ein-Zustand umgekehrt ist, wird ein

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Strom Is vom Kollektor des Schalttransistors 107 über die Drosselspule 108 auf den Brückenschaltkreis 101 geführt. Da die gegenelektromotorische Kraft E klein ist, wenn die Umdrehungszahl des Motors klein ist, 5. bleibt der Detektortransistor 110 weniger vorgespannt» . Daher ist der erste Steuertransistor 112 ausgeschaltet und der zweite Steuertransistor 115 und der Schalttransistor 107 sind eingeschaltet, und dem Brückenschalt=· kreis 101 wird ein Strom zugeführt.

Wenn die Anzahl der Umdrehungen des Motors aus einer derartigen Situation heraus ansteigt und die elektromotorische Gegenkraft E größer als EO wird, wechselt der bis dahin wenig vorgespannte Detektortransistor 110 in den stärker vorgespannten Zustand. Hieraus resultiert_s .

daß der erste Steuertransistor 112 mit einer Basisvorspannung vom Kollektor des Detektortransistors 110 gespeist und eingeschaltet wird, und der zweite Steuertransistor 115 dementsprechend ausgeschaltet wird. Wenn der zweite Steuertransistor 115 abgeschaltet ist_s wird der durch den zweiten Steuertransistor 115 gesteuert© Schalttransistor 107 ausgeschaltet und der dem Brüelc©a~ schaltkreis 101 zugeführter Strom Is wird Null. Wenn der Schalttransistor 107 in einen Aus-Zustand wechselt, wird eine elektromotorische Kraft in der Drosselspule 108 er-

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zeugt, und durch die Diode 118 fließt zum Brückenschaltkreis 101 infolge der induzierten elektromotorischen Kraft ein Strom. Wenn der durch die Diode 118 fließende Strom If und der in den Brückenschaltkreis 101 fließende Strom Ib ist, dann wird Ib durch die folgende Gleichung ausgedrückt:

Ib = Is + If

Wenn der Schalttransistor 107 ausgeschaltet wird,

fällt das Spannungspotential Va am Speisepunkt A des

ab Brückenschaltkreises 101 gemäß einer Kurve/, die durch die Drosselspule 108, den Glättungskondensator 117 und die Last des Brückenschaltkreises 101 bestimmt ist. Das Potential Vc am Punkt C zum Detektieren der nicht abgeglichenen Spannung fällt in Bezug auf den Speisepunkt A gemäß der folgenden Gleichung ab:

^Vc ~ R2 + R3 ^Va

Das Absinken des Potentials Vb am Punkt B zum Detektieren der nicht abgeglichenen Spannung wird Jedoch infolge der elektrischen Ladung, die im Kondensator 109 gespeichert ist, verzögert. Daher behält der Detektortransistor 110 während dieser Zeitdauer

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einen vorgespannteren Zustand. Venn die in dem Kondensator 109 gespeicherte elektrische Ladung entladen wird, sinkt die Spannung Vb am Punkt B zum Detektieren der nicht abgeglichenen Spannung und der Detektortransistor 110 verschiebt sich in einen weniger vorgespannten Zustand. Wenn der Detektortransistor 110 in einen weniger vorgespannten Zustand gelangt, wird der erste Steuertransistor 112 in dem Aus-Zustand umgekehrt und der zweite Steuertransistor 115 wird/einen Ein-Zustand geschaltet. Hieraus resultiert, daß der Schalttransistor 107 in einen Ein-Zustand schaltet und ein Strom Is über den Schalttransistor 107 von der Gleichstrom-Spannungsquelle 106 dem Brückenschal tkreis 101 zugeführt wird. Das Potential Va am Speisepunkt A steigt wieder infolge der vorstehend beschriebenen Operation; der Anstieg des Potentials Vb am Punkt B zum Detektieren der nicht abgeglichenen Spannung wird Jedoch durch den Kondensator 109 verzögert. Demgemäß wird der Detektortransistor 110 während dieser Zeitdauer in einem weniger vorgespannten Zustand gehalten. Wenn das Potential Vb am Punkt B zum Detektieren der nicht abgeglichenen Spannung auf einen vorbestimmten Wert absinkt, wird der Detektortransistor 110 wieder im einen mehr vorgespannten Zustand gebracht.

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Die Veränderungen des Potentials Va am vorstehend beschriebenen Speisepunkt A bzw. am Vorspannungspunkt des Detektortransistors 110 werden durch die folgenden Gleichungen berechnet:

Vr -

^vc " Vb =

R2 + R3 ΪΪΪΓΤΊΪΪ

Tj

^E0 = RiTRT ^Va

Die Basisemitterspannung Vgg des Detektortransistors 110 wird durch die folgende Gleichung (5) gegeben:

V_BE = Vb - Vc BE

(Ra + R1) (R2 + R3)

R1

Ra + R1

Aus der vorstehenden Gleichung (5) folgt, daß der Vorspannungspunkt des Detektortransistors 110 in Abhängigkeit von der Welligkeit der Spannung Va, die am Speisepunkt A angelegt ist, wechselt.

Da die entsprechenden Widerstandswerte genau ausgewählt worden sind, so daß die vorstehende Formel (4) gilt, folgt, daß der Schalttransistor 107 in Abhängigkeit von der Ausgangsspannung des vorstehend beschriebenen De-

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.35 .

tektortransistors 110 ein/ausgesteuert wird und der Schwingungszustand aufrecht erhalten wird. Der vorstehend beschriebene Schaltkreis führt daher einen Schwingungsvorgang aus, und die Oszillationsfrequenz wird durch die Drosselspule 108 und die Kondensatoren 109 und 117 bestimmt. Die Oszillationsfrequenz wird zwischen 20 kHz und 100 kHz ausgewählt, so daß diese verglichen mit der Kommutierungswellenform des Gleichstrommotors und unter Berücksichtigung einer möglichen hörbaren Störung infolge der Vibration der Drosselspule ausreichend groß ist.

Soweit der Vorgang bezüglich des Gleichstroms betroffen ist, wird die Steueroperation des Brückenschaltkreises auf herkömmliche Art und Weise durchgeführt, und der Detektortransistor 110 funktioniert so/ daß die gegenelektromotorische Kraft EO unabhängig von dem Laststrom des Motors konstant gemacit wird, und ©ine geeignete Spannung Va wird an den Speisepunkt A des Brückenschaltkreises 101 infolge einer Ein-/Aus-Operation des Schalttransistors 107 angelegt. Der Motor wird so in Übereinstimmung mit der vorstehend beschriebenen Operation angetrieben; da jedoch die Speisung mit einem elektrischen Strom von der Gleichstrom-Spannungsquelle 106 auf periodische Weise über den Schalttransistor 107, der ein/ausgesteuert wird, erfolgt, wird

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die verbrauchte elektrische Leistung reduziert und die Lebensdauer einer Batterie, die als die Gleichstrom-Spannungsquelle 106 verwendet wird, kann drastisch verlängert werden.

Bezugnehmend auf die Ausführungsform gemäß der Fig. 2 wird im folgenden anhand der Fig. 3 und 4A bis 4E beschrieben, wie die an den Brückenschaltkreis 101 angelegte Spannung Va gesteuert wird.

Bezugnehmend auf die Fig. 2 wird davon ausgegangen, daß der Betriebs-Schwellenwert des zweiten Steuertransistors 115 Vth ist, dann wird der Betriebszustand des Transistors 115 durch die folgenden Formeln (6¹) und (7¹) ausgedrückt:

_T ^ Vs - Vth /ex

£5

wobei Vs die Spannung der Gleichstrom-Spannungsquelle 106, I_c der Kollektorstrom des ersten Steuertransistors 112 und RA der Widerstandswert des Widerstandes 114 ist. Wenn h™™ der Stromverstärkungsfaktor des

ersten Steuertransistors 112 ist, dann wird die folgende Gleichung (8) erhalten:

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¹C ^=hFE * ¹B <⁸>

■wobei Ig der Basisstrom des Transistors 112 ist. Demgemäß werden die vorstehend beschriebenen Formeln (6·) und (7¹) durch die folgenden Formeln (6) und (7) ausgedrückt:

τ "7	Vs -	Vth
¹B ¹B ^<	FE	Vth
	« R4

Der Schalttransistor 107 wird in den Aus-Zustand geschaltet, wenn die vorstehend beschriebene Ungleichung (6) erfüllt ist,und wird in den Aus-Zustand geschaltet, wenn die vorstehend beschriebene Formel (7) erfüllt ist. Derartige Zustände werden im folgenden anhand der Fig. 3 und 4A bis 4E beschrieben.

Fig. 3 zeigt eine grafische Darstellung der statischen Kennlinie des ersten Steuertransistors 112. In Fig. 3 gibt die Abszisse

die Spannung Vq_E zwischen dem Kollektor und dem Emit~ ter des Transistors 112 und die Ordinate den Kollektorstrom Iq dieses Transistors an. Fig. 4A zeigt verschie= dene Basisströme des ersten Steuertransistors 112_? wobei diese einen Welligkeitsanteil aufweisen, der durch

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die durchgezogene Linie dargestellt ist, und wobei die Mittelwerte durch die gestrichelten Linien B1, B2 und B3 dargestellt sind. Die

Fig. 4B bis 4D zeigen die Wellenform der Kollektorspannung des Schalttransistors 107 bei den jeweiligen Vorspannungen. Fig. 4E zeigt verschiedene Spannungswellenformen Va1, Va2 und Va3 am Speisepunkt A des Brückenschaltkreises 101 für die jeweiligen, in den Fig. 4B bis 4D dargestellten Fälle.

Wie aus der Fig. 3 ersichtlich, kennzeichnet B1, B2 und B3 den direkten Stromvorspannungspunkt des Transistors 112 in zahlreichen Arten des Lastzustandes. Wie aus der Fig. 3 hervorgeht, ist der zweite Steuertransistor 115 dann, wenn . die Spannung Vqj. zwischen dem Kollektor und dem Emitter des ersten Steuertransistors 112, höher als die

Betriebs-Schwellwertspannung Vth als Bezug ist, vorgespannt und der Schalttransistor 107 ist angetrieben, wobei der Schalttransistor 107 im Ein-Zustand liegt. Wenn umgekehrt die Spannung V_CE niedriger als die Bezugsspannung Vth ist, dann ist der zweite Steuertransistor 115 nicht vorgespanntJund demgemäß ist der Schalttransistor 107 ausgeschaltet.

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3Ü119G

Es wird davon ausgegangen, daß im eingeschwungenen Zustand die Vorspannung des ersten Steuertransistors 112 an einem Punkt B2 in der Fig. 3 liegt. Wie aus der vorstehenden Gleichung (5) hervorgeht, schwankt der Vorspannungspunkt des Detektortransistors 110 abhängig von der Welligkeitskomponente, die an_.den Brückenschaltkreis 101 angelegt wird. Daher wiederholt der Kollektorstrom des Detektortransistors 110, d. h. der Basisstrom des ersten Steuer- transistors 112, ebenfalls ein Ansteigen und Abfallen gemäß einer derartigen Welligkeitskomponente. Fig. 4A zeigt eine grafische Darstellung eines derartigen Zustandes. Wie bereits vorstehend mit Bezug auf die Fig. 4A beschrieben, wird der Schalttransistor 107 ausgeschaltet, wenn der Basisstrom I_ß des Transistors 112 größer als der Betriebs-Schwellenwert= strom Igth ist, und er wird eingeschaltet„ wenn der Basisstrom I_ß des Transistors 112 kleiner als der B©- triebs-Schwellenwertstrom Igth ist, wobei Igth durch die folgende Gleichung (9) dargestellt wirdί

Vs - Vth h_FE . R4

(9)

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3U1190 ^ " "

. Demgemäß verläuft die Spannung am Kollektor des Schalttransistors 107 so, wie in der Fig. 4B dargestellt. Wenn eine vorgegebene Anzahl von Umdrehungen eines Motors eingestellt ist, wird eine geeignete Spannung Va, die entsprechend der oben angegebenen Gleichung (5) abhängig vom Verhältnis der Ein-Zeitdauer T₁J₁-T₇J und der Aus-Zeitdauer T._TTQ ist, an den Brückenschaltkreis 101 angelegt. Diese Spannung Va wird durch die folgende Gleichung (10) ausgedrückt:

Va = * %ψψ Vs (10)

¹EIN ^{+ 1}AUS

wobei die Sättigungsspannung des Schalttransistors 107 der Widerstand der Drosselspule 108 und die Durchlaßspannung an der Schwungraddiode 118 zu vernachlässigen sind. Auf der anderen Seite wird der Strom Is von der Gleichstrom-Spannungsquelle 106 zu diesem Zeitpunkt durch die folgende Gleichung (11) mit Bezug auf den Strom Im, der durch den Anker 105 des Motors fließt, ausgedrückt:

Is = Im (11)

¹EIN ¹AUS

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Wenn die Last des Gleichstrommotors erhöht wird, und die Anzahl der Umdrehungen des Motors verringert wird, wird die im Anker 105 erzeugte gegenelektromotorische Kraft E verringert und demgemäß wird das Emitterpotential des Detektortransistors 110 verringert. Daher wird der Kollektorstrom des Detektortransistors 110 und somit der Basisstrom I_ß des ersten Steuertransistors 112 ebenfalls verringert. Ausgehend davon, daß die Vorspannung zu diesem Zeitpunkt am Punkt B3 in der Fig. 4A ist, ist die Kollektorspannung des Schalttransistors 107 wie in der Fig. ^dargestellt. Genauer gesagt die Einschalt-Zeitdauer Tg™ des Schalttransistors 107 wird langer und die Ausschalt-Zeitdauer T_AUg des Schalttransistors 107 wird kürzere Hieraus resultiert, wie aus der vorstehend beschriebenen Gleichung (10) hervorgeht, daß die Spannung "Va," die an den Brückenschaltkreis 101 angelegt wird, erhöht wird und die Anzahl der Umdrehungen des Gleichstrommotors ebenfalls erhöht wird, wobei der Gleichstrommotor seine Rotation mit der vorbestimmten konstanten Umdrehungszahl aufrecht erhält.

Umgekehrt wird für den Fall, daß die Last des Gleichstrommotors verringert wird, die vorstehend beschriebene Situation umgekehrt und der Vorspannungsstrom des

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ersten Steuertransistors 112 gelangt zu dem Punkt B1 in der Fig. 4A, und die Kollektorspannung des Schalttransistors 107 wird wie in der Fig. 4D dargestellt. Somit erkennt man, daß, wie aus der Fig. 4E ersiehtlieh, die an den Brückenschaltkreis 101 angelegte Spannung Va, wie in der Fig. 4E dargestellt, entsprechend Va2, VaJ und Va1 wechselt. Wie in der Fig. 4E dargestellt, wechselt somit die an den Brückenschaltkreis 101 angelegte Spannung Va und bleibt keine konstante Gleichspannung. Demgemäß wechselt die an den Anker 105 angelegte Spannung ebenfalls. Da verglichen mit der Schwingungsfrequenz die Trägheitskraft des Gleichstrommotors und des Antriebssystems hinreichend groß ist, hat diese Welligkeitskomponente jedoch keinerlei Einfluß auf den Gleichstrommotor.

Während ein herkömmlicher elektronischer Regler mit einem Brückenschaltkreis die Umdrehungszahl eines Gleichstrommotors durch veränderbares Steuern der inneren Impedanz eines Transistors zum Steuern der Zufuhr eines elektrischen Stromes in Abhängigkeit vom Ausgangssignal steuert, ist die vorliegende Erfindung so ausgebildet, daß die Ausgangsspannung des Detektortransistors 110, wie vorstehend beschrieben, einer Impulsbreite-Modulation durch den ersten Steuertransistor 112 und den

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zweiten Steuertransistor 115 unterzogen ist, wodurch die Einschaltzeitdauer Tgjjj und die Ausschaltzeitdauer T^ljs des Schalttransistors 107 gesteuert werden. Der Impuls mit einem solchen Tastverhältnis, d. h. einem solchen Verhältnis der Zeitdauern T_EIN und T_AUS wird in die

durch die vorstehende Gleichung (10) angegebene Gleich» spannung Va durch die Drosselspule 108, den Kondensator 117 und die Schwungraddiode 118 umgewandelt, wodurch der Gleichstrommotor gesteuert wird. Damit wird gemäß der vorliegenden Erfindung der bisherige Energieverlust, der infolge des Spannungsabfalls am Speise-Steuer-Transistor auftritt, abgesehen von dem Verlust beim Schalten, im Prinzip eliminiert, da der Schalttransistor 107 nur im Sperrbereich und im gesättigten Bereich betrieben wird.

Demgemäß wird der Stromverbrauch, wie durch die vorstehend beschriebene Gleichung (11) dargestellt, reduziert, und als Ergebnis hiervon wird die Lebensdauer der Batterie, die als Gleichstrom-Spannungsquelle 106 verwendet wird, drastisch verlängert.

Durch Versuche haben sich die folgenden Bemessungen für die einzelnen Bauteile, die in der Ausführungsform gemäß der Fig. 2 vorgesehen sind, in der Praxis als vorteilhaft erwiesen:

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Spannung Vs der Direktstrom-Spannungsquelle ... 6 V

Schalttransistor 107 ... 2SB598 Detektortransistor 110 ... 2SA608 erster und zweiter Steuertransistor 112 und ... 2SC536

Widerstand 102 (R1) ... 3-O-Widerstand 103 (R2) ... 850 _tl Widerstand 104 (R3) ... 2,2 k Xl-Widerstand 111 ... 10 k-TL Widerstand 113 ... 10 k XL Widerstand 114 (R4) ... 8,2 k-Ω-Widerstand 116 ... 68OiT. Drosselspule 108 ... 200 μΗ Kondensator 109 ... 0,22 μΡ Kondensator 117 ... 100 μΈ Schwungraddiode 118 ... DS442

Im Fall des vorstehend beschriebenen Beispieles betrug die Schwingfrequenz ungefähr 40 kHz. Die SoIl-Drehzahl des Gleichstrommotors betrug 2000 U/Min und die vorgesehene Belastung betrug 6 gem. Der Gleichstromwiderstand Ra des Ankers 105 des Motors betrug 8X1 . Demgemäß wurde bei dem vorstehend beschriebenen Beispiel eine Drehmoment-Drehzahl-Kennlinie, wie in der Fig. 5 dargestellt, erhalten» Die Lastschwankung betrug 1 bis 2 96/gcm.

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In der Fig. 6 ist das schematische Schaltbild einer anderen Ausführungsfonn der vorliegenden Erfindung dargestellt. Die gezeigte Ausführungsform ist im wesentlichen die gleiche wie die in der Fig. 2 gezeigte Ausführungsform, mit Ausnahme, daß ein Satz Transistoren 119 und 121 anstatt der Diode 118 in der Fig. 1 verwendet wird. Genauer gesagt ist bei der Ausführungsform gemäß der Fig. 3 der Emitter-Kollektorweg des Transistors 119 zwischen die Drosselspule 108 an der Seite des Schalttransistors 107 und der Erde geschaltet, so daß eine geschlossene Schleife geformt werden kann, um dem Brückenschaltkreis 101 einen Strom von der Drosselspule 108 zuzuführen, während der Schalttransistor 107 im ausgeschalteten Zustand ist. Die Basis des Transistors 119 ist mit dem Kollektor des Transistors 121 über den Widerstand 120 verbunden. Der Emitter des Transistors 121 ist mit der Drosselspule 108 an der Seite des Brückenschaltkreises 101 verbunden. Die Basis des Transistors 121 ist über eine Parallelschaltung des Widerstandes 122 und des Kondensators 123 mit der Drosselspule 108 an der Seite des Schalttransistors 107« und damit mit dem Emi :ter des Transistors 119, verbunden.

Wenn der Schalttransistor 107 im Ein-Zustand ist, dann befinden sich die Transistoren 119 und 121 in einem umgekehrten Vorspannungszustand, so daß beide im

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Aus-Zustand sind. Wenn die Anzahl der Umdrehungen des Motors in einer derartigen Situation erhöht wird, so daß der Schalttransistor 107 in den Aus-Zustand geschaltet wird, dann wird eine elektromotorische Kraft in der Drosselspule 108 erzeugt und gleichzeitig werden die Transistoren 119 und 121 beide so vorgespannt, daß sie in den Ein-Zustand umgekehrt werden. Hieraus resultiert, daß ein Strom infolge der in der Drosselspule 108 induzierten elektromotorischen Kraft über den Kollektor-Emitterweg des Transistors 119 dem vorstehend beschriebenen Brückenschaltkreis 101 zugeführt wird.

Bei der Ausführungsform der Fig. 6 ist der Transistor 119 als das Element vorgesehen, das dem Brückenschaltkreis 101 die in der Drosselspule 108 erzeugte elektromotorische Kraft zuführt, wenn der Schalttransistor in einen Aus-Zustand umgedreht worden ist, und daher wird verglichen mit der Ausführungsform gemäß der Fig. 2, in der eine Diode verwendet wird, kein Spannungsabfall verursacht und damit kann der Strom wirksam zugeführt werden.

Obwohl die beiden vorstehend beschriebenen Ausführungsformen PNP-Transistoren als Detektortransistoren 110 und Schalttransistor 107 und NPN-Transistoren als

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erster Transistor 112 und zweiter Steuertransistor 115 verwenden, ist es jedoch auch möglich, daß Transistoren vom entgegengesetzten Leitungstyp durch entsprechende Ausbildung des Schaltkreises verwendet werden können.

Obwohl die vorliegende Erfindung vollständig anhand der Ausführungsbeispiele und der Figuren beschrieben worden ist, bleibt anzumerken, daß diese Beispiele keine Begrenzung der vorliegenden Erfindung darstellen.

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Claims

Patentansprüche

( 1 ·/ Einrichtung zur Geschwindigkeitssteuerung für einen Gleichstrommotor, gekennzeichnet durch:

Einen Brückenschaltkreis (101) mit vier Zweigen, wobei drei Zweige Widerstände (102, 103 und 104) aufweisen, und der verbleibende vierte Zweig einen Anker (105) des Gleichstrommotors, dessen Geschwindigkeit gesteuert wird, aufweist, und mit zwei Punkten (P und C) zum Detektieren ier nicht abgeglichenen Spannungι

eine Gleichstromspannungsquelle (106) zum Versorgen des.Ankers (105) im Brückenschaltkreis (101) mit einem Gleichstrom;

Schaltelemente im Stromweg zwischen der Gleichstromspannungsquelle (106) und dem Brückenschaltkreis (101), die in einen Einschalt- und einen Auschalt-Zustand gebracht werden,um die Stromversorgung von der Gleichstromspannungsquelle durchzulassen oder zu unterbrechten;

eine Induktivität (108) im Stromweg zwischen den Schaltelementen und dem Brückenschaltkreis (101),

Elemente zum Detektieren der nicht abgeglichenen Spannung im Brückenschaltkreis, die auf die zwei Detektorpunkte (B und C ) im Brückenschaltkreis ansprechen;

Steuerelemente, die auf die Detektorelemente für die nicht abgeglichene Spannung ansprechen, um den Einschalt- und Ausschalt-Zustand der Schaltelemente zu steuern; und

Elemente zum Speisen des Brückenschaltkreises (101) mit einer in der Induktivität (108) induzierten elektromotorischen Kraft, wenn die Schaltelemente durch die Steuerelemente in einen Ausschaltzustand gebracht sind.

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2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß weiterhin Elemente zum Begrenzen der Ein/Aus-Schaltzeitdauer der Elemente durch Begrenzen einer Spannungsveränderung an einem der beiden Detektorpunkte (P und C) für die nicht abgeglichene Spannung des Brückenschaltkreises (101) vorgesehen sind.
3. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet , daß weiterhin Elemente . zum Erzeugen einer Bezugsspannung vorgesehen sind, wobei der Anker (105) zwischen dem einen der beiden Detektorpunkte (B oder C) und den Elementen zum Erzeugen einer Bezugsspannung liegt und daß die Elemente zum Begrenzen der Ein/AusschaltZeitdauer einen ersten Kondensator (109) parallel zum Anker (105) aufweisen.
4. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß weiterhin ein zweiter Kondensator (117) zwischen der Induktivität (108) an der Seite des Brückenschaltkreises und dem Bezugsspannungselement vorgesehen ist, um eine Belegheitskomponente zu reduzieren, die Bestandteil einer an den Brückenschaltkreis (101) angelegten Gleiehstromspannung ist.

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5. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Schaltelemente einen Schalttransistor (107) aufweisen, dessen Eingangselektrode mit dem Steuerelement verbunden ist, und der im Einschaltzustand der Sehältelemente im gesättigten Bereich arbeitet.
6. Einrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet , daß die Detektorelemente einen Detektortransistor (110) mit einem Emitter, einer Basis und einem Kollektor aufweisen, wobei der Emitter oder Kollektor mit dem einen der beiden Detektorpunkte (B oder C) des Brückenschaltkreises (101) und die Basis mit dem anderen der beiden Detektorpunkte (B oder C) verbunden ist, und der Kollektor oder Emitter eine Ausgangs spannung (V-og) erzeugt, und die Steuerelemente auf die Ausgangsspannung ansprechen, um den Ein- oder Ausschaltzustand der Schaltelemente zu steuern.
7. Einrichtung nach Anspruch 6, dadurch g e kennzeichne t, daß die Steuerelemente eine Steuertransistoreinrichtung (112, 115) aufweisen, deren Eingangselektrode die Ausgangsspannung des Detektortransistors (110) aufnimmt und auf diese an die Eingangselektrode angelegte Ausgangsspannung

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anspricht, um den Schalttransistor (107) in den gesättigten Bereich oder Sperrbereich zu bringen.
8. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Elemente zum Zuführen der induzierten elektromotorischen Kraft eine Diode (118) aufweisen, die im wesentlichen parallel zum Brückenschaltkreis (101) und durch die Induktivität (108) in einer vorbestimmten Richtung in Übereinstimmung mit der Polarität der Gleichstrom-Spannungsquelle (.106) geschaltet ist.
9. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Elemente zum Zuführen der induzierten elektromotorischen Kraft einen Transistor (119), dei/im wesentlichen parallel zum Brückenschaltkreis (101) und durch die Induktivität (108) in einer vorbestimmten Richtung in Übereinstimmung mit der Polarität der Gleichstromspannungsquelle (106) geschaltet ist, und Elemente^ die auf die Ausgangsspannung am Schalttransistor (107) ansprechen, um den Transistor (119) ein- oder auszuschalten, aufweisen.