DE3904441A1 - Chopperschaltung fuer die ansteuerung von elektromagnet- und/oder schrittmotoren-spulen, insbesondere fuer einen matrixdrucker - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Chopperschaltung für die Ansteuerung von Elektromagnet- und/oder Schrittmotoren-Spulen, insbesondere für einen Matrixdrucker, deren Induktivität in Verbindung mit der angelegten Spannung einen Maximalstrom erzeugt, der aus Sicherheitsgründen um einen gewünschten Faktor niedriger eingestellt ist, wobei die Stromripples durch Choppen erzeugbar sind, mit einer Treiberschaltung für die Elektromagnetspule bzw. mit einer Brückenschaltung für die Schrittmotoren-Spule, denen jeweils eine Strommeßwerterfassung mit Stromabschaltung zugeordnet ist und mit einer digitalen Steuerlogik, die im Takt eines vorgeschalteten Frequenzgebers ein Steuersignal erzeugt, das im Wechselspiel mit der Stromabschaltung als Ein- oder als Aus-Signal am Eingang der Treiberschaltung bzw. der Brückenschaltung vorliegt, nach Haupt-Patentanmeldung P 37 27 283.

Nach der Haupt-Patentanmeldung ist einer Treiberschaltung für Induktivitäten eine Strommeßwerterfassung mit Stromabschaltung zugeordnet. Eine derartige Treiberschaltung für Drucker, insbesondere für Matrixdrucker, ist in der DE-C2-31 51 242 ausführlich beschrieben. Der Zweck einer derartigen Treiberschaltung ist es, den mittels Elektromagnetspulen angetriebenen Drucknadeln oder Druckhämmern einen elektrischen Stromimpuls zeitgesteuert zu übertragen. In jedem Fall ist zur Erzeugung einer hohen Zahl von Druckpunkten wichtig, eine Drucknadel oder einen Druckhammer nach einem erfolgten Abschießen sobald wie möglich erneut betätigen zu können. Einer solchen kurzzeitig wiederholten Betätigung der Elektromagnetspule steht z. B deren Selbstinduktion entgegen.

Die bekannte Lösung (DE-C2-31 51 242) verwirklicht die Meßwerterfassung durch einen Transistor, der in einer Treiberschaltung eingeschlossen ist, in der die Basis-Emitter-Spannung und ein Spannungsabfall an einem Emitter-Meßwiderstand als Bezugsgröße eingesetzt werden.

Aufgrund des Vorschlags aus der Haupt-Patentanmeldung wird dieser Spannungswert, den die Signalleistung bei Stromfluß annimmt, an einen Komparatoreingang gegeben und mit einer Referenzspannung verglichen und in ein digitales Signal umgewandelt, welches mit der digitalen Steuerlogik zu der Chopperschaltung verknüpft ist.

Die Steuerlogik nach der Hauptpatentanmeldung arbeitet mit einer separat aufgebauten Spannungsabfrage, wobei für Messen und Steuern nur ein Digitalsignal in einem die Steuerlogik enthaltenden ASIC (applikationsspezifischer integrierter Schaltkreis) verarbeitet wird.

Die nachfolgende Erfindung beruht auf der Tatsache, daß in derartigen ASIC′s sowohl analoge als auch digitale Funktionen gleichzeitig realisiert werden können.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Treiberschaltung, die im Bereich der Induktivität (Elektromagnetspule, Schrittmotorenspule) liegt, zu vereinfachen.

Die gestellte Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Strommeßwerterfassung aus einem Komparator besteht, dessen Positiv- Eingang mit einer Referenz-Spannung verbunden ist und dessen Negativ- Eingang über eine Steuerleitung, die zugleich Meßleitung ist, mit der Treiberschaltung verbunden ist und daß der Ausgang des Komparators mit der digitalen Steuerlogik verknüpft ist. Diese Lösung bedeutet, daß der Komparator nicht wie bisher Bestandteil der Treiberschaltung ist, sondern nunmehr in den ASIC integriert worden ist. Der Komparator kann somit bereits bei Konzipierung und Herstellung des ASIC′s berücksichtigt werden. Auch bei dieser Lösung ist daher wie bei der Haupt-Patentanmeldung für den ASIC nur eine Leitung bzw. nur ein Kontaktstift erforderlich, die das Steuer- und Meßsignal zwischen dem ASIC und der Treiberschaltung führt.

Eine Verbesserung der Erfindung besteht darin, daß in der Treiberschaltung ein MOS-Feldeffekt-Transistor vorgesehen ist, dessen Gate-Source-Spannung über eine zwischen Gate und Source geschaltete Zenerdiode abgreifbar ist. Der Vorteil einer solchen Treiberschaltung ist es, daß der verwendete MOS-Feldeffekt-Transistor besonders verlustarm arbeitet, so daß in der Treiberschaltung bei verlängerter Betriebszeit eine geringere Erwärmung eintritt.

Eine andere Verbesserung der Erfindung besteht darin, daß der Transistor für die Treiberschaltung aus einem MOS-Feldeffekt-Transistor mit vorgeschaltetem Pegelwandler besteht und daß die Eingangsspannung des Pegelwandlers über eine Spannungsteilerschaltung bestimmt ist.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestelllt und werden im folgenden näher beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 ein Zeitdiagramm für die durch Choppen erzeugten Spannungs- bzw. Stromimpulse,

Fig. 2 eine Chopperschaltung, bestehend aus einem linken ASIC- Schaltungsteil und einer rechten Treiberschaltung als erstes Ausführungsbeispiel,

Fig. 3 die Chopperschaltung nach Fig. 2 mit veränderter Treiberschaltung als zweites Ausführungsbeispiel und

Fig. 4 die Chopperschaltung nach Fig. 2 mit einer weiteren alternativen Treiberschaltung als drittes Ausführungsbeispiel.

Die Impulskurve A (Fig. 1) entsprechend der ON-OFF-Leitung 13 löst auf einer höheren Ebene eine logische "1" und auf einer niedrigeren Ebene eine logische "0" aus. Die Dauer des Impulses ist mit D = 250 Mikrosekunden als Beispiel für die Bestromungszeit einer Matrixdruckkopf-Elektromagnetspule gewählt. Die Frequenzimpulskurve F zeigt die derzeit eingestellte Frequenz über negative Steuersignale 2 an. Der zugehörige Frequenzgeber 3 ist in Fig. 2 angedeutet. Die vom Frequenzgeber 3 erzeugte Frequenz ist konstant.

Die Spannungsimpulskurve B tritt an dem Ausgang 4 als "Ein"-Signal, logisch "1", oder als "Aus"-Signal, logisch "0" auf. Nach einem Einschwingvorgang 5 stellen sich gleichgroße Spannungsimpulse 6 ein. Dementsprechend zeigt die Chopperkurve J entsprechend dem Spannungsverlauf gemäß der Spannungsimpulskurve B einen gechoppten Stromverlauf 7 mit sog. Stromripples 7 a.

Gemäß Fig. 2 ist ein ASIC-Schaltungsteil 8 symbolisch von einer Treiberschaltung 9 durch eine strichpunktierte, senkrechte Linie 10 getrennt, d. h. beide Schaltungen 8 (eine Steuerlogik 8 a) und 9 sind nur durch eine Steuerleitung 11, die zugleich Meßleitung 12 ist, miteinander verbunden.

Der ASIC-Schaltungsteil 8 besteht aus einer ON/OFF-Leitung 13, einem Flip-Flop 14 (I, II), einem Gatter III einem Komparator V und einem Gatter IV.

Die Treiberschaltung 9 weist einen Transistor T 1, eine zu bestromende Elektromagnetspule L, Widerstände R 1, R 2 und eine Diode D 1 auf. Der Widerstand R 1 liegt an der Ground-Spannung Vcc und an der Basis 15 des Transistors T 1 und der Widerstand R 2 an dem Emitter 16 des Transistors T 1 bzw. an Masse. Die Diode D 1 ist zwischen den Kollektor 17 des Transistors T 1 und einen weiter nicht dargestellten Schaltungsteil für die Energierückführung geschaltet.

Die Strommeßwerterfassung 18 besteht aus dem Komparator V In Funktion mit den Widerständen R 1/R 2.

Mit dem Signal ON/OFF logisch "1" auf der ON/OFF-Leitung 13 und einem Signal "START PULS", logisch "0", auf der START-Puls-Leitung 19 wird das Flip-Flop 14 (I, II) gesetzt. Ein Ausgang 20 des Flip-Flop 14 steuert über das Gatter III den Transistor T 1 auf. Der hierbei einsetzende Stromfluß erzeugt am Widerstand R 2 einen Spannungsabfall, der sich durch Addition mit einer Basis-Emitter-Spannung UBE auf der Steuerleitung 11 einstellt, diese aber wiederum am negativen Eingang 23 des Komparators V abgefragt wird. Erreicht die Basis-Emitter-Spannung UBE den Wert einer Referenzspannung URef am Komparator V, so schaltet der Komparatorausgang 22 das Flip-Flop 14 zurück. Der Transistor T 1 wird gesperrt, und der Stromfluß durch T 1 (und damit durch die Elektromagnetspule L) wird unterbrochen. Über das Gatter IV startet eine Pulsfolge des Frequenzgebers 3 mit einer Frequenz von z. B. 200 kHz diesen Bestromungsvorgang wieder, bis der vorstehend genannte Spannungswert wieder erreicht ist und das Wechselspiel fortgesetzt wird. Dieses Wechselspiel wird nur unterbrochen, wenn das Signal ON/OFF auf logisch "0" geht.

Eine Stromabschaltung findet statt, wenn der Vorgang wie vorstehend beschrieben abläuft, jedoch die 200 kHz-Pulsfolge nicht auftritt.

Die Zeitabschaltung wird ebenfalls wie vorstehend beschrieben vorgenommen, wobei die Referenzspannung URef so hoch eingestellt wird, daß dieser Wert nicht erreicht werden kann. Mit dem Signal ON/OFF auf der ON/OFF-Leitung 13 wird diese Zeitdauer der Bestromung (Fig. 1) festgelegt (Impulsdreieckform für Zeitsteuerung oder für Stromabschaltung).

Der Komparator V ist am negativen Eingang 23 an den Ausgang 4 der digitalen Steuerlogik 8 a angeschlossen.

Währenddem in Fig. 2 (erstes Ausführungsbeispiel) ein bipolarer Treibertransistor T 1 vorgeschlagen wird, wird in Fig. 3 (zweites Ausführungsbeispiel) ein verlustarmer MOS-Feldeffekt-Transistor 24 (MOSFET) verwendet. Die für den unipolaren MOSFET erforderliche Gate- Source-Spannung wird durch eine zwischen Gate 25 und Source 26 geschaltete Zenerdiode 27 bestimmt. Aufgrund dieser Zenerdiode 27 kann auch hier der Spannungswert an der Source 26 des MOSFET 24 auf der Steuerleitung 11 als Meßleitung 12 abgefragt werden. Ein Pull-up- Widerstand R 1, wie in Fig. 2, ist demzufolge nicht mehr erforderlich, da das Gatter III als Gegentaktstufe ausgebildet ist.

Die gestrichelt eingezeichnete Leitung 28 (vgl. auch Fig. 2) über die Diode D 1 nach der Abschaltspannung UA in den Schaltungen der Fig. 2 und 3, ist für eine Abschaltenergie-Rückführung (Energie aus der Selbstinduktion der Elektromagnetspule L beim Abschalten) vorgesehen. Eine solche Abschaltenergie-Rückführung ist im Chopperbetrieb notwendig, um den jeweiligen Transistor T 1 vor Überspannung zu schützen oder die Verlustleistung im jeweiligen Transistor T 1 kleinzuhalten. Im übrigen entspricht die Spannung UZ an der Zenerdiode 27 der Basis-Emitter-Spannung UBE, die in Fig. 2 dargestellt ist. Ein drittes Ausführungsbeispiel ist in Fig. 4 dargestellt. Die gemäß Fig. 3 verwendete Zenerdiode 27 ist hier durch einen Widerstand R 2 ersetzt. Der Ausgang 4 der Steuerlogik 8 a bzw. der Eingang 8 b der Treiberschaltung 9 sind sehr hochohmig (im vorliegenden Fall beträgt der Widerstand ca. 100 bis 200 kOhm). Daher erhält man eine Spannung auf der Steuerleitung 11 bzw. Meßleitung 12, hervorgerufen durch eine Spannungsteilerschaltung R 1/R 2, die proportional zur Meßspannung ist. Der Widerstand R 2 ersetzt daher hier die Zenerdiode 27. Außerdem besteht hier der Transistor T 1 für die Treiberschaltung 9 aus einem MOS-Feleffekt-Transistor 29 mit vorgeschaltetem Pegelwandler 30. Die Eingangsspannung des Pegelwandlers 30 wird über die Spannungstreiberschaltung R 1/R 2 bestimmt.

In den Ausführungsbeispielen der Fig. 2 und 3 begrenzt jeweils ein Widerstand R 2 die Spannung, die an der Elektromagnetspule L liegt, und im Ausführungsbeispiel nach Fig. 4 übernimmt diese Funktion ein Widerstand R 3.

Die Elektromagnetspule L liegt jeweils an einer Spannung von plus U = 40 Volt.

Claims (3)

1. Chopperschaltung für die Ansteuerung von Elektromagnet- und/oder Schrittmotoren-Spulen, insbesondere für einen Matrixdrucker, deren Induktivität in Verbindung mit der angelegten Spannung einen Maximalstrom erzeugt, der aus Sicherheitsgründen um einen gewünschten Faktor niedriger eingestellt ist, wobei die Stromripples durch Choppen erzeugbar sind, mit einer Treiberschaltung für die Elektromagnetspule bzw. mit einer Brückenschaltung für die Schrittmotoren-Spule, denen jeweils eine Strommeßwerterfassung mit Stromabschaltung zugeordnet ist und mit einer digitalen Steuerlogik, die im Takt eines vorgeschalteten Frequenzgebers ein Steuersignal erzeugt, das im Wechselspiel mit der Stromabschaltung als Ein- oder als Aus-Signal am Eingang der Treiberschaltung bzw. der Brückenschaltung vorliegt, nach Haupt-Patentanmeldung P 37 27 283, dadurch gekennzeichnet, daß die Strommeßwerterfassung (18) aus einem Komparator (V) besteht, dessen Positiv-Eingang (21) mit einer Referenz-Spannung (URef) verbunden ist und dessen Negativ-Eingang (23) über eine Steuerleitung (11), die zugleich Meßleitung (12) ist, mit der Treiberschaltung (9) verbunden ist und daß der Ausgang (22) des Komparators (V) mit der digitalen Steuerlogik (8 a) verknüpft ist (Fig. 2).

2. Chopperschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in der Treiberschaltung (9) ein MOS-Feldeffekt-Transisitor (24) vorgesehen ist, dessen Gate-Source-Spannung über eine zwischen Gate (25) und Source (26) geschaltete Zenerdiode (27) abgreifbar ist (Fig. 3).

3. Chopperschaltung nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Transistor (T 1) für die Treiberschaltung (9) aus einem MOS-Feldeffekt-Transistor (29) mit vorgeschaltetem Pegelwandler (30) besteht und daß die Eingangsspannung des Pegelwandlers (30) über eine Spannungsteilerschaltung (R 1, R 2) bestimmt ist (Fig. 4).