DE3240649A1

DE3240649A1 - Schutzschaltung fuer einen leistungstransistor

Info

Publication number: DE3240649A1
Application number: DE19823240649
Authority: DE
Inventors: Casimir 31200 Toulouse Calvo
Original assignee: Equipements Automobiles Marchal SA
Current assignee: Equipements Automobiles Marchal SA
Priority date: 1981-11-09
Filing date: 1982-11-04
Publication date: 1983-05-19
Also published as: ES517192A0; FR2516317B1; ES8308168A1; FR2516317A1

Description

2406

VON KREISLER SCHONWALD EISHOLD FUES VONKREISLER KELLER SELTING WERNER

PATENTANWÄLTE EQUIPEMENTS AUTOMOBILES MARCHAL

Dr.-Ing. von Kreisler 11973

26, rue Guynemer Dr.-Ing. K.Schönwald, Köln

92132 ISSy-LeS-MoulineauX Dr.-Ing. K. W. Eishold, Bad Soden

Dr. J. F. Fues, Köln

Frankreich Dipl.-Chem. Alek von Kreisler, Köln

Dipl.-Chem. Carola Keller, Köln Dipl.-Ing. G. Selting, Köln Dr. H.-K. Werner, Köln

DEICHMANNHAUS AM HAUPTBAHNHOF

D-5000 KÖLN 1

2. November 1982 Sg-Fe

Schutzschaltung für einen Leistungstransistor

Die Erfindung betrifft eine Schutzschaltung für einen Leistungstransistor zur Steuerung von Geschwindigkeitsänderungen eines Elektromotors, wobei der Transistor in Reihe mit dem Motor an eine Stromquelle angeschlossen ist.

Die Erfindung richtet sich insbesondere auf eine Schutzschaltung für Leistungstransistoren zur Veränderung der Versorgungsspannung von Elektromotoren geringer Leistung. Derartige Schaltungen eignen sich für die Steuerung des Ventilators einer Lüftungs- und/oder Klimaanlage eines Kraftfahrzeugs.

Es ist bekannt, zur Veränderung der Drehzahl eines elektrischen Gleichstrommotors kleiner Leistung einen Leistungstransistor zu verwenden, der mit dem Motor in Reihe geschaltet ist. Die Basisspannung des Le Lstungstrransistors wird von dem Benutzer mittel;; einos Potentiometers- ver-

BAD ORIGINAL

Telefon: (0221) 131041 · Telex: 8(182307 dopa d · Telegramm: Dompalen! Köln

ändert. Wenn in einem derartigen Fall in dem Augenblick, in dem der Motor an die Stromversorgung angeschlossen wird, der Motor blockiert bleibt, kann der Leistungstransistor zerstört werden. Wenn der'Motor beispielsweise infolge von Vereisung blockiert ist, ist der ihn durchfließende Strom viel größer als bei normalem Betrieb. Da die Stromstärke V/R ist, wobei V die Klemmenspannung des Motors und R der Wicklungswiderstand ist, nimmt die Stromstärke bei Drehung des Motors einen Wert von (V-E)/R an, wobei E die elektromotorische Gegenkraft ist. Nun tritt jedoch häufig der Fall ein, daß der Motor blockiert, beispielsweise wenn das Anlaufen bei einer niedrigen Spannung (z.B. 2 bis 3 Volt) erfolgen soll und die Stellung des Steuerpotentiometers auf eine entsprechend niedrige Drehzahl eingestellt ist. In diesem Fall wird der den Leistungstransistor durchfließende Strom hoch. Der Transistor erwärmt sich infolge des Joule-Effektes und kann die Wärmeleistung nicht abgeben. Die übermäßige Temperaturerhöhung an den Transistorübergängen führt zur Zerstörung des Transistors und zum Ausfall des gesamten Systems, dem der Motor angehört.

Es kann ferner der Fall eintreten, daß infolge von Überspannungen der dem Motor zugeführte Strom, der auch den Transistor durchfließt,zu groß wird und zu einer Zerstörung des Transistors führt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schutzschaltung der eingangs genannten Art zu schaffen, um den Leistungstransistor eines derartigen Motors zu schützen und zu verhindern, daß dieser Leistungstransistor von einem zu hohen Strom durchflossen wird. Die Schutzschaltung soll eine iJberdimensionierung des Leistungstransistors unnötig machen und bei Reduzierung der Gesamtkosten

einen praktisch vollkommenen Schutz des Leistungstransistors sicherstellen.

Zur Lösung dieser Aufgabe ist erfindungsgemäß vorgesehen, daß eine auf eine Steuerspannung reagierende Steuereinrichtung vorgesehen ist, die die an den Klemmen des Motors zur Verfügung stehende Spannung im gleichen Sinne verändert wie die Steuerspannung und die die Motorspannung zwischen zwei voreingestellten Werten hält.

Nach der Erfindung wird ein Minimalpotential Vmin derart definiert, daß diese Spannung Vmin unabhängig von der beispielsweise durch ein Potentiometer erfolgenden Einstellung der Klemmspannung des Motors immer an den Motorklemmen zur Verfügung steht, so daß die Motorspannung den Wert Vmin niemals unterschreitet. Gleichzeitig wird eine Maximalspannung Vmax definiert, die von der Motorspannung niemals, auch nicht im Fall von Überspannungen, überschritten werden kann und die die maximal an den Motorklemmen auftretende Spannung darstellt.

Bei geeigneter Wahl der Mindestspannung Vmin besteht die Sicherheit, daß die Klemmenspannung des Motors immer ausreicht, um ein Anlaufen des Motors zu ermöglichen. Um zu verhindern, daß, beispielsweise im Falle von überspannung, der Motor von einem zu hohen Dauerstrom durchflossen wird, der zur Zerstörung des Leistungstransistors führen würde, wird die Klemmenspannung des Motors auf den Wert Vmax begrenzt, wodurch ebenfalls die Größe des den Leistungstransistor durchfließenden Stromes begrenzt wird.

Vorzugsweise reagiert die Steuerschaltung auch auf plötzliche Spannungsänderungen, um Änderungen der Klemmenspannung Vm des Motors zu dämpfen.

Die transistorisierte Differentialstufe bzw. der Verstärker ermöglicht es, in dem Fall, daß die Steuerspannung Vc eine Veränderung der durch sie überwachten Spannung hervorruft, vorzugsweise über eine übliche Steuerkette, auf die Basis des Leistungstransistors einzuwirken und auf diese Welse eine gleichsinnig© Antwort der Klemmenspannung Vm des Motors hervorzurufen.

Vorteilhafterweise enthält die Steuerschaltung zur Steuerung der an den Motorklemmen zur Verfügung stehenden Spannung Vm auf den Wert der Steuerspannung Vc eine Einrichtung zur Durchführung eines Spannungsvergleichs, wie beispielsweise eine transistorisierte Differentialstufe oder einen Operationsverstärker.

Die Aufrechterhaltung eines Wertes Vm = Vmax im Falle von Überspannung erfolgt vorzugsweise durch eine Zenerdiode, die die für die Steuerung zur Verfügung stehende Spannung begrenzt, während die Aufrechterhaltung der Minimalspannung Vm = Vmin durch eine Schaltung hervorgerufen wird, die an der Basis des Leistungstransistors eine bestimmte Minimalspannung aufrechterhält.

Nach der Erfindung enthält die Steuerschaltung, die auf Änderungen der Klemmenspannung des Motors reagiert, mindestens eine Kondensatorschaltung oder ein Filter zur Dämpfung der Spannungsänderungen und zur Unterdrückung schneller Spannungsänderungen.

Die Erfindung bezieht sich ferner auf eine Schaltungsanordnung, die aus einem elektrischen Gleichstrommotor veränderbarer Geschwindigkeit und der zugehörigen Versorgungsschaltung besteht, welche einen Leistungstransistor 0 enthält. Diese Schaltungsanordnung ist dadurch gekenn-

zeichnet, daß der Transistor eine Schutzschaltung der oben genannten Art aufweist.

Schließlich bezieht sich die Erfindung auch auf die Verwendung einer Schaltungsanordnung der genannten Art für
den Antrieb eines Ventilators, beispielsweise des Ventilators einer Klima- und/oder Lüftungsanlage eines Kraftfahrzeugs.

Im folgenden werden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung näher erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung der Schutzschaltung unter Verwendung einer transistorisierten Differentialstufe und

Fig. 2 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform mit einem Operationsverstärker.

Gemäß Fig. 1 ist ein Gleichstrommotor 1 in Reihe mit einem Unterbrecherschalter 3 und einer transistorisierten Darlington-Schaltung 4 zwischen eine eine Spannung V. . liefernde Batterie, beispielsweise eine Fahrzemgbatterie, und
Masse geschaltet. Der Unterbrecherschalter 3 wird von dem Zündschlüssel des Fahrzeugs betätigt und die Darlington-Schaltung 4 enthält in üblicher Weise einen Leistungstransistor T„, einen Steuertransistor T und eine Schutzdiode D.

Die Schaltung zur Steuerung der Geschwindigkeit des Motors enthält das Potentiometer Pc und den Widerstand R , die an einen aus zwei einander gleichen Widerständen R,R' bestehenden Spannungsteiler angeschlossen sind. Das Potentio-

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meter Pc wird ebenso wie der Spannungsteiler R,R¹ über einen Widerstand R_ mit der Spannung der Batterie versorgt. Der Verbindungspunkt der Widerstände R und R¹ ist über einen Widerstand R„ mit dem Ausgang des Potentiometers bzw. dem dem Potentiometer abgewandten Abgriff des Widerstandes R₁ und mit einem Kondensator C- verbunden, dessen Aufgabe darin beisteht, die dem Motor zugeführten Potentialänderungen zu dämpfen. Der Verbindungspunkt zwischen dem Kondensator und den Widerständen R₂ und R₁ ist über eine Diode D-, die eine Schnellentladung des Kondensators C₁ ermöglicht, mit der positiven Potentialleitung V verbunden und außerdem an die Basis eines Transistors T₃ angeschlossen, der zusammen mit dem Transistor T. und dem Transistor Tv eLne transistorisierte Differentialstufe bildet, die insgesamt mit 5 bezeichnet ist. Von den Transistoren τ, und T₄, deren Emitter über den Widerstand R_fi an Masse angeschlossen sind, ist einer mit seiner Basis an den genannten Verbindungspunkt der Elemente R.. ,R,,C. und D₁ angeschlossen, während der andere mit seiner Basis über einen Widerstand R, an den Ausgang der Darlington-Schaltung 4 angeschlossen ist. Der Kollektor des Transistors T_ ist mit: der Basis eines Transistors T,- verbunden, dessen Kollektor an den Widerstand R- angeschlossen und über diesen mit dem positiven Potential V verbunden ist. An den Anschlußpunkt des Widerstandes R_ ist außerdem der Kollektor des Transistors T. angeschlossen. Der Kollektor des Transistors T_c ist über einen Widerstand R₀ mit der Basis eines Transistors T₁ verbunden. Ferner ist zur Spannungsregelung eine Zenerdiode D an den Ausgang des Widerstandes R₇ und somit an die Spannungsleitung angeschlossen.

Der Transistor ¹P₅ steuert demnach den Transistor T₁ , dessen' Kollektor über den Widerstand R_q mit der Basis des Tran-

β * 4 β β

-JT-

sistors T verbunden ist, wobei eine zwischen den Kollektor des Transistors T₁ und Masse geschaltete Ableitdiode D₂ als Schutz gegen Spannungsumkehr dient. Schließlich ist ein Widerstand R. zwischen Masse und den Widerstand R₃ geschaltet.

Im folgenden wird die Funktion der Schaltung beschrieben:

Die transistorisierte Differentialstufe 5 reagiert einerseits auf die von dem Potentiometer P gelieferte Regel-

spannung Vc und andererseits bei geeigneter Wahl der Werte der Widerstände R- und R₄ auf die Versorgungsspannung Vm des Motors 1. Sie steuert in Abhängigkeit von diesen Informationen die Transistorkette T₁ und T und demnach die Darlington-Schaltung 4, die die Stromstärke bestimmt ,mit der der Motor 1 versorgt wird. Die Steuerung erfolgt so, daß die Spannungen V+,V-, die jeweils an die Basis eines der Transistoren T- und T₄ der Stufe 5 gelegt werden, gleich sind. Wenn die Spannung V+ an der Basis des Transistors T₃ den Wert V- an der Basis des Transistors T₄ unterschreitet, werden die Transistoren T₁ und T₂ in größerem Mäße leitfähig, derart daß die Klemmenspannung am Motor Vm ansteigt. Hierdurch vergrößert sich die Spannung V- bis das Gleichgewicht V+ = V- wieder erreicht ist. Wenn man P , R und R' klein gegenüber R₁ und R₉ wählt, können die Spannungen V/2 und Vc am Ausgang des Potentiometers P als von idealen Spannungsquellen kommend angesehen werden. Durch geeignete Wahl derjenigen Werte Vmin und Vmax des Potentials Vm, die sich einstellen sollen, wenn Vc = 0 ist und wenn Vc => +V ist, tl.h. in den beiden Extrempositionen des Potentiometers, und unter Berücksichtigung der Tatsache, daß die Diode D den Maximalwert von V und daher auch von Vc begrenzt, werden jdie Werte der Widerstände R ,R₂,R₃ und R₄ so bestimmt, daß für den Fall

Vc = O Vm gleich dem Minimalwert Vmin wird und daß für den Fall Vc = +v Vm gleich dem Maximalwert Vmax wird.

Die Kapazität des Kondensators C. ist so bemessen, daß die schnellen Änderungen des Potentials Vm absorbiert werden, wobei die Diode D₁ die schnelle Entladung des Kondensators ermöglicht. Der Kondensator C_? dient der Frequenzstabilisierung,und die Diode D bewirkt eine Regelung der Spannung V und einen Schutz der Stufe 5 gegen positive und negative Überspannungen- sowie gegen Polumkehr der Batterie.

Bei dem Ausführungsbeispiel der Fig. 2 ist die Stufe 5 durch einen Verstärker A ersetzt, dessen einer Eingang das vom Potentiometer kommende Potential V+ und dessen anderer Eingang das vom Motor stammende Potential V- empfängt. Die Funktion des Operationsverstärkers A ist ähnlich wie diejenige der Stufe 5, so daß das System in gleicher Weise arbeitet wie das erste Ausführungsbeispiel.

Auf die beschriebene Weise ist es möglich, den Schutz der Darlington-Schaltung 4 sicherzustellen, da die Klemmenspannung Vm des Motors 1 stets größer ist als die Spannung Vmin, die auf einen Wert eingestellt ist, der ausreicht, um den Motor unter allen normalerweise vorhersehbaren Verhältnissen anlaufen lassen zu können, während die Spannung Vm stets kleiner ist als die Maximalspannung Vmax. Auf diese Weise wird ein Schutz gegen mögliche Überspannung erzielt, wobei zu starke Schwingungen durch das Kondensatorsystern gedämpft werden.

Leerseite

Claims

ANSPRUCHE

Schutzschaltung für einen Leistungstransistor (T₂) zur Steuerung von Geschwindigkeitsänderungen eines Elektromotors (1), wobei der Transistor (T₂) in Reihe mit dem Motor (1) an eine Stromquelle (2) angeschlossen ist, dadurch gekennzeichnet, daß eine auf eine Steuerspannung (Vc) reagierende Steuereinrichtung (5) vorgesehen ist, die die an den Klemmen des Motors (1) zur Verfügung stehende Spannung (Vm) im gleichen Sinne verändert, wie die Steuerspannung (Vc) und die> die Motorspannung (Vm) zwischen zwei voreingestellten Werten (Vmin, Vmax) hält.
2. Schutzschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerschaltung aus einer Transistoren (T₃, T., T₅) enthaltenden Differentialstufe (5) besteht.
3. Schutzschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerschaltung aus einem Operationsverstärker (A) besteht.
4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die für die Steuerung zur Verfügung stehende Spannung (V) durch eine Zenerdiode (DZ) begrenzt ist.
5. Schutzschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Steuereingang (V+) der Steuereinrichtung (5,A) einerseits mit dem Ausgang eines Potentiometers (Pc) und andererseits mit einem Spannungsteiler (R,R¹) verbunden ist.
6. Schutzschaltung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Steuereingang (V+) mit einem Kondensator (C₁) zur Dämpfung der Potentialänderungen verbunden ist und daß der Kondensator (C₁) mit einer eine Schnellentladung ermöglichenden Diode (D.) verbunden ist.
7. Schutzschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der auf das Potential (Vm) des Elektromotors (1) reagierende Eingang (V-) der Steuerschaltung (5,A) über einen Widerstand (R-.), dem ein Ableitwiderstand (R.) zugeordnet ist, mit einer Klemme des Motors (1) verbunden ist.
8. Schutzschaltung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Eingang (V-) mit einem Kondensator (C„) zur Frequenzstabilisierung verbunden ist.
9. Schaltungsanordnung, bestehend aus einem elektrischen Gleichstrommotor variabler Drehzahl und dessen zugehöriger Speiseschaltung, die einen Leistungstransistor (T₂) enthält, dadurch gekennzeichnet, daß der Transistor eine Schutzschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 8 aufweist.
10. Verwendung einer Schaltungsanordnung nach Anspruch 9 für den Antrieb des Lüfters der Klimatisierungs- und/ oder Lüftungsanlage eines Kraftfahrzeugs.