DE3811799A1 - Schaltungsanordnung zum bidirektionalen ansteuern von gleichstrommotoren oder gleichstromstellgliedern - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zum bidirektio­ nalen Ansteuern von Gleichstrommotoren oder Gleichstromstell­ gliedern mit einer an die Eingangsklemmen einer Vollbrücken­ schaltung anschließbaren Gleichspannungsquelle und einem mit den Ausgangsklemmen der Vollbrückenschaltung verbundenen Gleich­ strommotor, wobei die Brückenzweige der Vollbrückenschaltung durch eine Ansteuereinrichtung steuerbare Schaltelemente auf­ weisen.

Es ist bekannt, daß Gleichstrommotoren und elektrische Gleich­ stromstellglieder bidirektional betrieben werden können. Die Dreh- bzw. Bewegungsrichtung hängt davon ab, in welcher Rich­ tung der Strom durch den Verbraucher fließt. Eine Richtungsum­ kehr des Stromflusses wird am einfachsten mit einer Vollbrücken­ schaltung erreicht, an deren Eingangsklemmen eine Spannungsquel­ le und an deren Ausgangsklemmen der Verbraucher angeschlossen ist. In den Brückenzweigen dieser Vollbrückenschaltung ist je­ weils ein Schaltelement angeordnet. Durch wechselseitiges Ein­ schalten der sich diagonal gegenüberliegenden Schaltelemente wird der Stromrichtungswechsel erreicht. Eine solche Vollbrüc­ kenschaltung zur Drehrichtungs-Umsteuerung eines Kleinmotors ist z.B. in dem Buch "Elektronikschaltungen" von Walter Hirsch­ mann; Berlin, München: Siemens Aktiengesellschaft, 1982 auf den Seiten 115 und 116 beschrieben. Als Schaltelemente werden dort Bipolartransistoren verwendet.

Zum bidirektionalen Ansteuern von Kleinverbrauchern, also Ver­ brauchern mit kleinen Strömen, wie z.B. Kleinmotoren mit bis zu etwa 2 A, sind sog. Vierquadrantentreiber bekannt. In Siemens Components, 5, 1986, Seite 186 bis 193 ist ein solcher Vierqua­ drantentreiber, der integrierte Schaltkreis TCA 1560, beschrie­ ben. Solche Vierquadrantentreiber weisen im allgemeinen eine Ansteuereinrichtung auf, die vier zu einer Vollbrücke verschal­ tete Leistungstransistoren ansteuert. An den Ausgangsklemmen der Vollbrückenschaltung ist der Kleinverbraucher angeschlos­ sen. Über entsprechende Steuereingänge des Vierquadrantentrei­ bers ist die Drehrichtung des Kleinmotors einstellbar.

Für Verbraucher mit hohen Strömen sind diese Vierquadrantentrei­ ber ungeeignet. Zum bidirektionalen Ansteuern von Gleichstrommo­ toren mit hohen Strömen gibt es im wesentlichen zwei bekannte Lösungsmöglichkeiten. Die erste Möglichkeit basiert auf dem Ein­ satz von zwei elektromechanischen Relais, die je einen Ruhe­ und einen Arbeitskontakt aufweisen. Gegenüber einem unipolaren Verbraucher beträgt der Mehraufwand nur etwa einen Faktor 2, da lediglich zwei Relais benötigt werden, wobei aber der bei ihnen benötigte zusätzliche Ruhekontakt kaum Mehrkosten verursacht. Der durch die Relais bedingte zusätzliche Widerstand im Last­ stromkreis ist vernachlässigbar. Die Relais haben damit den ent­ scheidenden Vorteil, daß keine wesentlichen Verluste im Last­ stromkreis auftreten. Besonders nachteilig wirkt sich jedoch bei der Verwendung von Relais zum bidirektionalen Ansteuern von Verbrauchern der Kontaktabbrand zwischen den Kontakten des Re­ lais durch die Funkenbildung beim Schalten unter Last aus. Eine zu große Kontaktverschmutzung oder ein Verschweißen der Kontakte führt sogar zum Ausfall des Relais. Relais weisen zusätzlich den Nachteil auf, daß sie nur eine begrenzte Schaltgeschwindigkeit erlauben. Ein beliebig schnelles und häufiges Schalten, wie dies z.B. bei einer Impulsbreitenmodulation zur leistungsarmen Dreh­ zahlregelung erforderlich wäre, ist mit Relais nur bedingt möglich.

Die zweite bekannte Möglichkeit besteht darin, als Schaltele­ mente vier Leistungstransistoren, z.B. MOS-FET einzusetzen. Hier­ bei ergibt sich aber bei gleichen Anforderungen an den Spannungs­ abfall im Laststromkreis ein achtfacher Aufwand gegenüber einem unipolaren Verbraucher, da nicht nur die vierfache Anzahl von Leistungstransistoren benötigt wird, sondern dieselben auch noch um den Faktor 2 niederohmiger sein müssen. Durch die Ver­ wendung von Leistungstransistoren zum bidirektionalen Ansteuern von Gleichstrommotoren werden aber die bei den Relais auftreten­ den Nachteile vermieden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine geringen schal­ tungstechnischen Aufwand erforderliche Schaltungsanordnung zum bidirektionalen Ansteuern eines Gleichstrommotors mit einer Vollbrückenschaltung anzugeben, die auch bei hohen Laststromen geringe Leistungsverluste aufweist und durch Impulsbreitenmodu­ lation ansteuerbar ist.

Die Aufgabe wird dadurch gelöst, daß ein durch die Ansteuerein­ richtung steuerbarer Halbleiterschalter vorgesehen ist, daß der steuerbare Halbleiterschalter zwischen Gleichstromquelle und eine Eingangsklemme der Vollbrückenschaltung geschaltet ist und daß die Ansteuereinrichtung Mittel enthält, den steuerbaren Halbleiterschalter auszuschalten, wobei während des ausgeschal­ teten Zustandes die Drehrichtung des Gleichstrommotors oder Gleichstromstellgiedes durch Ansteuern der Schaltelemente um­ schaltbar ist.

Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteran­ sprüche.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von drei Figuren näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 eine Vollbrückenschaltung zum bidirektionalen Ansteuern von Gleichstrommotoren, und

Fig. 2 ein erfindungsgemäßes erstes Ausführungsbeispiel zum bidirektionalen Ansteuern von Gleichstrommotoren.

Fig. 3 ein erfindungsgemäßes zweites Ausführungsbeispiel zum bidirektionalen Ansteuern von Gleichstrommotoren.

In Fig. 1 ist das Prinzipschaltbild einer Vollbrückenschaltung zum bidirektionalen Ansteuern von Gleichstrommotoren bzw. Gleichstromstellgliedern dargestellt. Die Vollbrückenschaltung 4 weist in jedem ihrer vier Brückenzweige ein steuerbares Schaltelement 5, 6, 7, 8 auf. An die Eingangsklemmen 1, 2 der Vollbrückenschaltung 4 ist eine Gleichspannungsquelle 3 geschal­ tet, während die Ausgangsklemmen 11, 10 mit den Anschlüssen des zu steuernden Gleichstrommotors 14 verbunden sind. Über eine An­ steuereinrichtung 16 sind die steuerbaren Schaltelemente 5, 6, 7, 8 so ansteuerbar , daß sich jeweils die diagonal gegenüber­ stehenden Schaltelemente 5, 8 bzw. 6, 7 im eingeschalteten Zu­ stand befinden oder alle Schaltelemente 5, 6, 7 und 8 ausge­ schaltet sind. Zum schnellen Abbremsen des Gleichstrommotors 14 können die zwei Schaltelemente 5 und 6 gleichzeitig eingeschal­ tet werden (ebenso die Schaltelemente 7 und 8).

In Fig. 2 ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. Die im Zusammenhang mit Fig. 1 bereits bekannten steuerbaren Schaltelemente 5, 6, 7, 8 werden jetzt durch steuerbare Relais gebildet. Der Einfachheit halber werden nur zwei als Umschal­ ter wirkende Relais 12, 13 verwendet, die je einen Ruhekontakt RK und einen Arbeitskontakt AK sowie einen Kontaktanker KA auf­ weisen. Im Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 ist der zu steuernde Gleichstrommotor 14 zwischen die Kontaktanker KA der beiden Re­ lais geschaltet. Die Arbeitskontakte AK der Relais 12, 13 sind mit der ersten Eingangsklemme 1 der Vollbrückenschaltung 4 ver­ bunden. An die zweite Eingangsklemme 2 der Vollbrückenschaltung 4 ist der Ruhekontakt RK des ersten Relais 12 und der Ruhekon­ takt RK des zweiten Relais 13 angeschlossen. An die Eingangsklem­ me 1 der Vollbrückenschaltung 4 ist der Pluspol einer Gleichspan­ nungsquelle 3 angeschlossen. Zwischen dem Minuspol der Gleich­ spannungsquelle 3 und der Eingangsklemme 2 der Vollbrückenschal­ tung 4 ist ein steuerbarer Halbleiterschalter 9 geschaltet. In diesem Ausführungsbeispiel ist als steuerbarer Halbleiterschal­ ter 9 ein MOS-FET vorgesehen, der mit seinem Drainanschluß D an die zweite Eingangsklemme 2 der Vollbrückenschaltung 4 ange­ schlossen ist und dessen Sourceanschluß S mit dem Minuspol der Gleichspannungsquelle 3 in Kontakt steht. Der Gateanschluß G des MOS-FET ist mit der Ausgangsklemme 23 einer Ansteuerein­ richtung 16 verbunden. Über die Ausgangsklemmen 21 und 22 der Ansteuereinrichtung 16 sind die Relais 12, 13 ansteuerbar.

Der steuerbare Halbleiterschalter 9, in Fig. 2 also der MOS-FET ist damit in der Schaltungsanordnung so angeordnet, daß der Stromfluß durch den Gleichstrommotor 14 unabhängig von dessen augenblicklicher Drehrichtung unterbrechbar ist.

Die Ansteuereinrichtung 6 enthält Mittel, den MOS-FET definiert ein- oder auszuschalten, wobei während des ausgeschalteten Zu­ standes die Drehrichtung des Gleichstrommotors durch Ansteuern der beiden Relais umschaltbar ist. Dadurch können die Relais lastfrei umgeschaltet werden, so daß keine Funkenbildung an den Relaiskontakten entstehen kann. Mit dem Halbleiterschalter 9, also dem MOS-FET, läßt sich der Stromfluß ein- oder ausschalten. Mit diesem steuerbaren Halbleiterschalter 9 ist auch eine hoch­ frequente Impulsbreitenmodulation zur leistungsarmen Drehzahl­ regelung durchführbar.

Die Funktion der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung stellt sich anhand der Fig. 2 wie folgt dar: Im Anfangszustand ist we­ der ein Relais 12, 13 noch der durch den MOS-FET realisierte Halbleiterschalter 9 angesteuert. Soll der Gleichstrommotor oder das Gleichstromstellglied 14 in eine der beiden möglichen Richtungen angetrieben werden, so wird zunächst eines der bei­ den Relais 12, 13 über den Ausgang 21 bzw. 22 der Ansteuerein­ richtung 16, z. B. einem Microprozessor, aktiviert. Abhängig vom verwendeten Relaistyp wird nachdem das Relais umgeschaltet hat, der MOS-FET 9 über die Ausgangsklemme 23 der Ansteuerein­ richtung 16 eingeschaltet. Damit ist die Vollbrückenschaltung 4 an die Gleichspannungsquelle 3 geschaltet und der Gleichstrom­ motor 14 beginnt sich in eine der gewählten Richtungen zu dre­ hen. Soll ein Drehrichtungswechsel vorgenommen werden, muß zu­ nächst der MOS-FET 9 ausgeschaltet werden. Dazu gelangt von der Ansteuereinrichtung 16 ein entsprechendes Steuersignal an den Steuereingang des steuerbaren Halbleiterschalters 9, hier im Ausführungsbeispiel an den Gateanschluß G des MOS-FET. Ist der steuerbare Halbleiterschalter 9 ausgeschaltet, so kann die An­ steuereinrichtung 16 die Relais 12, 13 zum Umschalten ansteuern.

Es muß jedoch beachtet werden, daß es sich im allgemeinen um stark induktive Lasten handeln wird, die sich nach dem Abschal­ ten des steuerbaren Halbleiterschalters 9 erst entladen müssen. Diese Entladedauer ist von der Bedämpfung der Last abhängig. Diese Entladedauer sollte bei dem Umschalten der Relais 12, 13 berücksichtigt werden. Es empfiehlt sich deshalb nach dem Aus­ schalten des steuerbaren Halbleiterschalters 9 mit dem Umschal­ ten der Relais etwas zu warten.

Bei Gleichstrommotoren oder Gleichstromstellgliedern, die schnell abgebremst werden sollen, empfiehlt sich der Einsatz von zwei in Serie geschalteten MOS-FET 30, 31, wie in Fig. 3 dargestellt. Die Gateanschlüsse G der beiden MOS-FET 30, 31 sind mit einer vierten Ausgangsklemme 24 der Ansteuereinrich­ tung 16 verbunden. Die Drainanschlüsse D der beiden MOS-FET 30, 31 stehen miteinander in Kontakt. Der Sourceanschluß S des MOS-FET 30 ist mit dem Kontaktanker KA des Relais 12 und der Sourceanschluß S des MOS-FET 31 mit dem Kontaktanker KA des Relais 13 verbunden. Im übrigen entspricht die Schaltungsan­ ordnung in Fig. 3 der Schaltungsanordnung in Fig. 2 mit den dazu­ gehörigen Bezugszeichen. Diese MOS-FET 30, 31 werden sofort nach dem Abschalten des steuerbaren Halbleiterschalters 9 ein­ geschaltet. Dadurch wird ein niederohmiger Nebenschluß erzielt. Diese MOS-FET (30, 31) sind nur kurzzeitig belastet, weshalb leistungsarme und daher billige Typen verwendet werden können.

Die Erfindung ist jedoch nicht auf die hier beschriebenen Aus­ führungsbeispiele beschränkt. Vielmehr können auch andere Aus­ gestaltungen im Rahmen der vorgestellten Erfindung vorgesehen werden. So können anstelle der zwei Relais 12, 13 selbstverständ­ lich auch vier Relais als Schaltelemente verwendet werden, die dann jeweils - wie eingangs beschrieben - von der Ansteuerein­ richtung 16 angesteuert werden. Der steuerbare Halbleiterschal­ ter 9 kann auch ein Bipolartransistor oder ein abschaltbarer Thyristor (GTO) sein.

Claims (5)

1. Schaltungsanordnung zum bidirektionalen Ansteuern von Gleichstrommotoren oder Gleichstromstellgliedern mit einer an die Eingangsklemmen (1, 2) einer Vollbrückenschaltung (4) an­ schließbaren Gleichspannungsquelle (3) und einem mit den Aus­ gangsklemmen (10, 11) der Vollbrückenschaltung (4) verbundenen Gleichstrommotor oder Gleichstromstellglied (14), wobei die Brückenzweige der Vollbrückenschaltung (4) durch eine Ansteuer­ einrichtung (6) steuerbare Schaltelemente (5, 6, 7, 8) aufwei­ sen, dadurch gekennzeichnet, daß ein durch die Ansteuereinrichtung (16) steuerbarer Halbleiterschal­ ter (9) vorgesehen ist, daß der steuerbare Halbleiterschalter (9) zwischen Gleichstromquelle (3) und eine Eingangsklemme (1, 2) der Vollbrückenschaltung (4) geschaltet ist, und daß die Ansteuereinrichtung (16) Mittel enthält, den steuerbaren Halb­ leiterschalter (9) auszuschalten, wobei während des ausgeschal­ teten Zustandes die Drehrichtung des Gleichstrommotors oder Gleichstromstellgliedes (14) durch Ansteuern der Schaltelemente (5, 6, 7, 8) umschaltbar ist.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der steuerbare Halbleiterschal­ ter (9) ein MOS-FET ist.

3. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 2, da­ durch gekennzeichnet, daß die steuerbaren Schaltelemente (5, 6, 7, 8) Relais sind.

4. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, da­ durch gekennzeichnet, daß parallel zum Gleichstrommotor oder Gleichstromstellglied (14) zwei in Serie geschaltete MOS-FET (30, 31) angeordnet sind, daß die Gatean­ schlüsse (G) dieser zwei MOS-FET (30, 31) mit der Ansteuerein­ richtung (16) verbunden sind, daß die Drainanschlüsse (D) der beiden MOS-FET (30, 31) miteinander verbunden sind, und daß zwischen den Sourceanschlüssen (S) der zwei MOS-FET (30, 31) der Gleichstrommotor (14) geschaltet ist.

5. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, da­ durch gekennzeichnet, daß die Ansteuer­ einrichtung (16) Mittel zum impulsbreitenmodulierten Ansteuern des steuerbaren Halbleiterschalters (9) enthält.