-
Schaltungsanordnung zur Ansteuerung von Zweiwick-
-
lungs-Drehwinkelst ellern Stand der Technik Die Erfindung geht aus
von einer Schaltungsanordnung zur Ansteuerung von Zweiwicklungs-Drehwinkelstellern
(ZWD) nach der Gattung des Hauptanspruchs bzw. des Nebenanspruchs. Aus der DE-OS
31 29 441 sind bereits ZWDs bekannt, die mit einem kontinuierlichen Strom erregt
werden. Das Zusammenwirken des Magnetfeldes dieses Erregerstromes mit dem Magnetfeld
eines Permanent-oder eines Elektromagneten führt zu einer Verdrehung des Rotors
des ZWD um einen Winkel, der von der Stärke des Erregerstroms abhängig ist. Nachteilig
daran ist, daß zum Betrieb des ZWD ein dauernder Erregerstrom fließen muß, der vor
allem in den Endstufentransistoren der Schaltungsanordnung zur Ansteuerung des ZWD
eine hohe Erwärmung mit sich bringt, die besondere Kühlmaßnahmen erfordert. Bei
Ausfall des Steuerstroms nimmt der ZWD entweder eine undefinierte Stellung ein,
oder es muß
durch Anbringung einer mechanisch wirkenden Feder sichergestellt
werden, daß der Rotor in eine vorher definierte Notlaufposition einschwingt. Das
hat aber den Nachteil, daß im Normalbetrieb die zusätzliche Federkraft überwunden
werden muß, was zu einer Erhöhung des Erregerstromes führt.
-
Aus der DE-OS 32 OO 457 ist ein Verfahren zur Steuerung wenigstens
eines elektromagnetischen Stellgliedes bekannt, bei der zwei elektromagnetische
Stellglieder über die Einschaltdauer des Stromes eines Rampengenerators gesteuert
werden. Die beiden Stellglieder werden in Abhängigkeit des Vorzeichens einer Regelabweichung
abwechselnd angesteuert. Wie bei der DE-OS 31 29 441 gelten auch hier die Nachteile
bei Ausfall der Steuerleitung.
-
Vorteile der Erfindung Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung zur
Ansteuerung von ZWD mit den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs hat den
Vorteil, daß eine Notlauffunktion des ZWD ohne eine zusätzliche mechanische Feder
möglich ist.
-
Die Schaltungsanordnung kann mit beliebigen üblichen Batteriespannungen
für Kraftfahrzeuge £6 Volt, 12 Volt, 24 Yolt) betrieben werden und mit TTL-Pegeln
£auch hat terausgänge mit tri-state-Funktion) angesteuert werden.
-
Bei Nichtansteuerung bzw. bei Unterbrechung der Steuerleitung werden
beide Wicklungen des ZWD vom gleichen Gleichstrom durchflossen, so daß die Stellung
des ZWD-Ankers eine 450-Stellung einnimmt, sodaß ein Notlaufbetrieb des Kraftfahrzeuges
möglich ist.
-
Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnungen mit den kennzeichnenden
Merkmalen des Hauptanspruchs und des Nebenanspruchs haben den Vorteil, daß sie eine
sehr geringe thermische Leistungsaufnahme aufzeigen. Das führt zu dem Vorteil, daß
keine Kühlkörper erfoderlich sind und daß das gesamte Regelgerät eine geringere
Verlustleistung aufweist. Durch die geringe Anzahl von Bauelementen ist eine kostengünstige
und störunanfällige Realisierung möglich.
-
Vorteilhafterweise sind die Freilaufdioden der Wicklungen nicht am
Drehwinkelsteller angebracht, sondern getrennt und platzsparend in die Schaltungsanordnung
mit einbezogen.
-
Zeichnung Figur 1 zeigt eine Schaltungsanordnung zur Ansteuerung von
ZWD mit geringer thermischer Leistungsaufnahme und Notlauffunktion, Figur 2 zeigt
eine Schaltungsanordnung zur Ansteuerung von ZWD mit geringer thermischer Leistungsaufnahme
und Figur 3 ein Signaldiagramm zur Erläuterung der Wirkungsweise.
-
Beschreibung der Ausführungsbeispiele In Figur 1 und Figur 2 werden
zwei Wicklungen 1, 2 eines ZWD angesteuert, dem durch eine Schaltungsanordnung Signale
an einer Klemme 40 jeweils den beiden Wicklungen 1, 2 zugeführt werden. Zur Vereinfachung
der Darstellung-ist nicht dargestellt, daß in beiden Schaltungen an einer Klemme
30 die positive Batteriespannung und einer Klemme 32 die negative Batteriespannung
(Bezugspotential 0 Volt) liegt.
-
In Figur 1 liegen beide Wicklungen 1, 2 in Serie. Der Plusanschluß
von Wicklung 1 ist dabei an die Klemme 30, der Minusanschluß an eine Klemme 31 und
an den Plusanschluß der Wicklung 2 angeschlossen, deren Minusanschluß an der Klemme
32 liegt. Eine Freilaufdiode 11 der Wicklung 1 liegt zwischen den Klemmen 30 und
31, eine Freilaufdiode 12 der Wicklung 2 liegt zwischen den Klemmen 31 und 32. Von
einem pnp-Schalttransistor 13 liegen der Emitter an der Klemme 30, die Basis über
einen Widerstand 15 ebenfalls an der Klemme 30 und der Kollektor an der Klemme 31.
Bei einem npn-Schalttransistor 14 liegt der Emitter an der Klemme 32, die Basis
über einen Widerstand 16 an der Klemme 30 und der Kollektor an der Klemme 33. Über
einen Widerstand 19 liegt die Basis des Schalttransistors 13 am Kollektor eines
npn-Treibertransistors 22. Die Basis des Transistors 14 liegt am Kollektor eines
npn-Treibertransistors 38. Der Emitter des Transistors 18 liegt an der Klemme 32,
die Basis ist anodenseitig mit einer Zenerdiode 21 verbunden, deren Kathode über
einen Widerstand 17 an der Klemme 30 und an der Anode eine Diode 20 liegt. Die Kathode
der Diode 20 ist mit der Klemme 4Q verbunden. Die Klemme 40 führt an die Kathode
einer Zenerdiode 25, deren Anode über einen Widerstand 24 und einen Widerstand 23
mit der Klemme 32 verbunden ist. Der Teilerpunkt der Widerstände 24, 23 führt an
die Basis des Transistors 22, dessen Emitter ebenfalls an der Klemme 32 liegt.
-
Zur Dimensionierung der Schaltungsanordnung nach Figur 1 ist es notwendig,
daß die Zenerspannung der Diode 21 kleiner ist als die Zenerspannung der Diode 25,
die so gewählt werden muß, daß bei High-Potential (bei TTL-Ansteuerung etwa 5 Volt)
an der Klemme 40 über den Widerstand 23 eine Spannung abfällt, die die Basis-Emitter-
Spannung
des Transistors 22 übersteigt. Dann ist die Kollektor-Emitter-Strecke des Transistors
22 niederohmig, und über die Widerstände 15, 19 fließt ein Strom gegen die Klemme
32. Der Spannungsabfall am Widerstand 15 bewirkt, daß die Emitter-Kollektor-Strecke
des Schalttransistors 13 niederohmig wird. Damit ist die l; Wicklung 1 kurzgeschlossen.
An der Kathode der Diode 21 liegt stets die Spannung an der Klemme 40 plus der Durchlaßspannung
der Diode 20 an. Bei High-Potential an der Klemme 40 ist die Zenerspannung der Diode
21 uberschritten und durch den Widerstand 17 und die Diode 21 fließt ein Strom in
die Basis des Transistors 18. Damit wird die Basis des Schalttransistors 14 über
die Kollektor-Emitter-Strecke des Transistors 18 niederohmig an Masse gelegt. Die
Kollektor-Emitter-Strecke des Transistors 14 ist hochohmig. Von der Klemme 30 fließt
ein Strom über den Transistor 13 an die Klemme 31, und von dort über die Wicklung
2 an die Klemme 32.
-
Bei Low-Potential (ca. O Volt) an der Klemme 40 sind beide Transistoren
22, 18 hochohmig. Die Basis des Transistors 13 und die Basis des Transistors 14
werden über die Widerstände 15, 16 an die Klemme 30 gelegt. Die Kollektor-Emitter-Strecke
des Transistors 13 ist dadurch hochohmig, die des Transistors 14 niederohmig. Damit
fließt ein Strom von der Klemme 30 durch die Wicklung 1 an die Klemme 31, und über
die Kollektor-Emitter-Strecke des Transistors 14 gegen die Klemme 32.
-
Bei Unterbrechung der Zuführungsleitung an der Klemme 40 bzw. bei
abgeschaltetem tri-state-Ausgang des steuernden Gatters stellt sich an der Klemme
40 ein Potential ein, das angenähert gleich der Zenerspannung der Diode 21 ist,
denn durch den Widerstand 17 fließt ein Strom durch die Diode 21 und über die Basis-Emitter-Diode
des Transistors
18. Da die Zenerspannung der Diode 21 kleiner als
die Zenerspannung der Diode 25 ist, kann kein Strom in die Basis des Transistors
22 fließen. Die Kollektor-Emitter-Strecke des Transistors 18 ist darum niederohmig,
die des Transistors 22 hochohmig. Damit sind sowohl die Emitter-Kollektor-Strecken
des Transistors 13 wie des Transistors 14 hochohmig, so daß ein Strom von der Klemme
30 durch die Wicklung 1 und von dort durch die Wicklung 2 gegen die Klemme 32 fließt.
Bei gleichem Aufbau der beiden Wicklungen 1, 2 besitzen beide die gleiche Magnetfeldstärke,
so daß sich am ZWD ein bestimmter, durch die Konstruktion bedingter Winkel einstellt
(in der gewählten Ausführungsform 450) Im Ausführungsbeispiel nach der Figur 2 sind
die Wicklungen 1, 2 mit ihrem Plusanschluß an die Klemme 30 gelegt. Der Minusanschluß
der Wicklung 1 führt an eine Klemme 34, der Minusanschluß der Wicklung 2 an eine
Klemme 33. Demgemäß ist die Freilaufdiode 12 der Wicklung 2 zwischen die Klemmen
30 und 33, die Freilaufdiode 11 der Wicklung 1 zwischen die Klemmen 30 und 34 geschlossen.
Zwei selbstsperrende PMOS-Feldeffekttransistoren 51, 52 dienen zur Ansteuerung der
Wicklungen 1, 2. Der Drain-Anschluß des Transistors 52 ist hierfür an die Klemme
33 und der Source-Anschluß an die Klemme 32 gelegt. Entsprechend liegt der Drain-Anschluß
des Transistors 51 an der Klemme 34, und der Source-Anschluß an der Klemme 32. Der
Gate-Anschluß des Transistors 52 ist mit dem Ausgang eines NOR-Gatters 53, der Gate-Anschluß
des Transistors 51 mit dem Ausgang eines NOR-Gatters 54 verbunden. Ein npn-Transistor
50 liegt mit seiner Basis an der Klemme 40, der Emitter an der Klemme 32 und der
Kollektor über einen Widerstand 59 an der Klemme 30 und über einen Widerstand 58
an einer Kapazität 57, die ihrerseits an die
Klemme 32 geschaltet
ist. Ein Eingang des Gatters 54 liegt an der Kapazität 57, der andere am Kollektor
des Transistors 50. Ein Eingang des Gatters 53 liegt am Ausgang eines NOR-Gatters
55 und der andere Eingang am Ausgang eines NOR-Gatters 56. Die beider Eingänge der
NOR-Gatter 55, 56 sind jeweils miteinander verbunden, wobei die Eingänge des Gatters
55 am Kollektor des Transistors 50 liegen, die Eingänge des Gatters 56 an der Kapazität
57.
-
Die Funktionsweise der Schaltungsanordnung nach Figur 2 wird anhand
des Signaldiagramms der Figur 3 erläutert.
-
Dabei sind die Signalverläufe in der Figur 3 weder zeit- noch amplitudentreu
wiedergegeben.
-
An der Klemme 40 liegen Steuersignale U40 mit TTL-Pegel an und werden
durch den Transistor 50 verstärkt. Dabei wird die Kapazität 57 über die Widerstände
58, 59 aufgeladen, und über den Widerstand 58 und die niederohmige Emitter-Kollektor-Strecke
des Transistors 50 entladen.
-
Durch die Schaltschwellen der Gatter 54 bzw. 56 stellt sich somit
eine Totzeit T1 bzw. T2 ein. Die Wicklung 2 wird durch den Transistor 52 um T1 verzögert
durch eine positive Flanke von U40 eingeschaltet und durch eine negative Flanke
von U40 ausgeschaltet. Die Wicklung 1 wird um T2 verzögert durch eine negative Flanke
von U40 eingeschaltet und durch eine positive Flanke von U40 ausgeschaltet. Damit
ist gewährleistet, daß die Wicklungen 1, 2 nie gleichzeitig Strom führen und eine
minimale Stromaufnahme bzw. Leistungsabgabe der gesamten Schaltungsanordnung erreicht.
Durch die Totzeit zwischen den einzelnen Ansteuerungen der Wicklungen 3, 2 werden
hierbei auch Ein- bzw. Ausschwingverhalten der Wicklungen, d.h. deren magnetisches
Speicherverhalten berücksichtigt.
-
Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung ist selbstverständlich nicht
nur auf die hier gewählten Ausführungsbeispiele beschränkt. Die Ströme durch die
Wicklungen des ZWD können durch Relais geschaltet werden, die von der erfindungsgemäßen
Schaltungsanordnung angesteuert werden. Äquivalent ist eine Realisierung der Ansteuerung
der Transistoren 13, 14, 51, 52 durch digitale Gatter oder durch einen Mikroprozessor.
-
Weiterhin ist es selbstverständlich möglich, die erfindungsgemäße
Schaltungsanordnung durch mehr als ein Signal anzusteuern. So kann etwa für die
Wicklungen 1, 2 je ein getrenntes Ansteuersignal an je einer Eingangsklemme (entsprechend
der Klemme 40 in den Ausführungsbeispielen) vorgesehen sein.