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Die
Erfindung betrifft eine Ansteuerschaltung für einen kollektorlosen Gleichstrommotor,
versehen mit einem Satz von Schaltern oder steuerbaren Widerständen in
Vollbrückenform
zur Bestromung einer Motorwicklung, mit einer Motor-Strombegrenzungsschaltung
und mit einem Stelleingang zur Variation des Motorstroms.
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Bei
einer bekannten Ansteuerschaltung dieser Art (
DE 39 32 802 A1 ) sind Verknüpfungsschaltungen
in Form von Gattern vorgesehen, denen Kommutierungssignale, ein
getaktetes Strommodulationssignal und ein Strombegrenzungssignal
zugeführt
werden.
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Es
ist Aufgabe der Erfindung, eine besonders einfache und kostengünstige Ansteuerschaltung zu
schaffen, die es gestattet, die Drehzahl eines kollektorlosen Gleichstrommotors
in Abhängigkeit
von einem Eingangssignal rasch zu ändern, ohne dass ein vorgegebener
maximal zulässiger
Motorstrom überschritten
wird. Ferner soll mittels dieser Ansteuerschaltung ein Bremsstrom
nach Vorgabe bzw. anhand eines elektrischen Signals eingestellt
und ein Überschreiten
eines maximal zulässigen
Bremsstromes verhindert werden können.
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Diese
Aufgabe wird bei einer Ansteuerschaltung der eingangs genannten
Art erfindungsgemäß dadurch
gelöst,
dass die Ansteuerschaltung Verknüpfungsschaltungen
erster Art und zweiter Art aufweist, dass die Verknüpfungsschaltungen
erster Art einen Eingang für
ein Strom-Limitierungssignal aufweisen, dass die Verknüpfungsschaltungen
zweiter Art einen Eingang für
ein getaktetes Strommodulationssignal aufweisen und dass sowohl
die Verknüpfungsschaltungen
erster Art als auch die Verknüpfungsschaltungen
zweiter Art jeweils sowohl Eingänge
für ein
Bremssignal als auch Eingänge
für ein Kommutierungssignal
aufweisen.
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Die
erfindungsgemäße Ansteuerschaltung erlaubt
mit einfachen Mitteln ein schnelles Hochlaufen wie auch ein schnelles
Abbremsen, vorzugsweise mit Zeitkonstanten von besser als etwa 5
sec. Die Ansteuerschaltung kann insbesondere zum Steuern von einsträngigen,
zweipulsigen Gleichstrommotoren eingesetzt werden, und sie eignet
sich besonders für Motoren,
wie sie in Gebläsen
für Öl- oder
Gasbrenner verwendet werden. Hierzu ist es vorteilhaft, wenn sich
die Motordrehzahl in Abhängigkeit
von einem Eingangssignal möglichst
schnell ändert
und auf einen neuen Sollwert einstellt. Die einzelnen Baugruppen
der Ansteuerschaltung lassen sich in vorteilhafter Weise bei vergleichsweise
geringen Kosten kombinieren.
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Die
Verknüpfungsschaltungen
können zweckmäßig aus
einer Dioden-Transistor-Logik bestehen, die vorteilhaft aus weniger
als zwölf
Dioden und weniger als vier Transistoren aufgebaut ist.
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In
weiterer Ausgestaltung der Erfindung weist die Ansteuerschaltung
eine Bremsindikatorschaltung auf, die ein pulsweitenmoduliertes
Eingangssignal überwacht
und die bei einem Eingangssignal mit kleinerem als einem vorgegebenen
Tastverhältnis
mindestens ein logisch aktives Ausgangssignal zur Auslösung eines
Bremsvorganges erzeugt.
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Der
Stelleingang für
die Variation des Motorstroms wird zweckmäßig mit einem impulsweitenmodulierten
Signal beaufschlagt.
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Die
Motor-Strombegrenzungsschaltung kann einfach als Strom-Unterbrechungsschaltung ausgeführt sein.
Bei den Schaltern handelt es sich vorzugsweise um Halbleiterschalter.
Die steuerbaren Widerstände
können
als Halbleiter-Verstärker
ausgeführt
sein.
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In
weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist die Ansteuerschaltung mit
einer Bremsschaltung ausgestattet, die während des Bremsbetriebes einen intermittierenden
oder gepulsten Generatorbetrieb des kollektorlosen Gleichstrommotors
bewirkt und die während
des Bremsbetriebes vorzugsweise ein Arbeiten des kollektorlosen
Gleichstrommotors als stromgeregelter oder strombegrenzter Generator
bewirkt.
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Zweckmäßig wird
die Motorwicklung während
des Bremsbetriebes durch zwei steuerbare Widerstände oder einen steuerbaren
Widerstand und mindestens eine Diodenstrecke kurzgeschlossen oder
elektrisch belastet wird. Die Motorwicklung kann während des
Bremsbetriebes auch durch zwei Halbleiter-Verstärker oder einen steuerbaren
Widerstand und mindestens eine Diodenstrecke intermittierend kurzgeschlossen
oder intermittierend elektrisch belastet werden.
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Vorzugsweise
ist die Ansteuerschaltung so ausgelegt, dass die Verknüpfungsschaltungen
den Motor auf Anforderung durch ein Bremssignal dadurch in den Bremsbetrieb
versetzten, dass je zwei an eine negative oder neutrale Versorgungsspannungsleitung
angeschlossene Schalter oder Halbleiter-Verstärker, die zwei der steuerbaren
Widerstände bilden,
geöffnet
werden, und dass je zwei Schalter oder steuerbare Widerstände der
Brückenanordnung,
welche an eine positive Versorgungsspannungsleitung angeschlossen
sind, annähernd
gleichzeitig eingeschaltet werden.
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Es
kann ein einziger, einpoliger Eingang für ein Drehzahl-Stellsignal
zur Entgegennahme eines kombinierten Drehzahl-/Bremssignales vorhanden sein.
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Die
Ansteuerschaltung kann in weiterer Ausgestaltung der Erfindung mit
einer Vorrichtung zur variablen Einstellung der Brems-Zeitkonstanten
versehen und in Form einer integrierten Schaltung oder in Form einer
Hybridschaltung ausgebildet sein. Sie eignet sich insbesondere zur
Verwendung in einem gas- oder ölbefeuerten
Heizgerät.
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Bevorzugte
Ausführungsbeispiele
der Erfindung werden im folgenden unter Bezug auf die beigefügten Zeichnungen
näher erläutert.
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Es
zeigt:
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1 ein
Blockschaltbild für
ein erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel,
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2 ein detailliertes Schaltbild für eine erfindungsgemäße Ansteuerschaltung,
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3 ein
weiteres detailliertes Schaltbild für eine erfindungsgemäße Ansteuerschaltung.
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Wie
das Blockschaltbild gemäß 1 ausweist,
kann die erfindungsgemäße Ansteuerschaltung
als "black-box" mit den Versorgungseingängen 10 und 25 sowie
einem Eingang 26 angesehen werden. Der Eingang 26 dient
zur Entgegennahme eines impulsweitenmodulierten Drehzahlsignals.
Als elektrische Ausgänge
sind die Anschlusspunkte 121 und 122 für die bevorzugt
einzige Wicklung 12 des Motors anzusehen.
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Die
Anschlusspunkte 121 und 122 bilden die Endpunkte
einer Brückendiagonalen,
wobei die Brücke
als Vollbrücke
vorliegt und durch die Schalter 13, 15, 23 und 24 gebildet
wird. Die Schalter sind vorzugsweise als Halbleiterschalter ausgeführt, und
sie werden mittels Verknüpfungsschaltungen 16, 17, 21 und 22 aktiviert
oder deaktiviert. Die Verknüpfungsschaltungen
bedingen daher Schalterstellungen und deren zeitliche Sequenz. Sie
sorgen damit für
die vier folgenden Grundfunktionen des Motors:
- – Kommutierung,
d. h. ständig
wechselnde Umkehrung des Motorstroms in Abhängigkeit von der Drehlage des
Motor-Rotors,
- – Taktung
des Motorstroms, um diesen je nach gewünschter Drehzahl des Motors
zu vergrößern oder
zu reduzieren,
- – vorübergehendes
Abschalten des Motorstroms, sofern ein Maximalwert erreicht wurde
(Funktion einer Motorstrombegrenzung),
- – Umschaltung
vom motorischen Betrieb in den ungetakteten Generatorbetrieb.
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Diese
Vielzahl an Motorfunktionen werden vorliegend mit vergleichsweise
wenigen Schaltelementen realisiert. Der maßgebliche Teil dieser Schaltelemente
besteht aus 10 Universaldioden, so dass sich eine besonders kostengünstige Schaltlogik
für die
Verknüpfungsschaltungen
ergibt, insbesondere wenn handelsübliche Mehrfachdioden in Form
eines Moduls oder einer integrierten Schaltung verwendet werden.
Des weiteren ist es möglich,
die gesamte Ansteuerschaltung in Form einer integrierten Schaltung
bereitzustellen. Bei höheren
Motorleistungen ist es jedoch erforderlich, die elektronischen Schalter 13, 15, 23, 24 als
separate Bauteile vorzusehen.
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Die
Kommutierungsfunktion wird in an sich bekannter Weise durch Aktivierung
von je zwei diametral liegenden Schaltern 13, 24 oder 15, 23 ausgeführt. Dies
geschieht dadurch, dass eine Kommutierungsstufe 19 ihre
antivalenten, d. h. im wesentlichen komplementären, digitalen Ausgangssignale
nach Maßgabe
der Rotorposition des Motors auf Eingänge 163, 173, 211 und 221 der
vier Verknüpfungsschaltungen 16, 17, 21 und 22 schaltet.
Ohne Einwirkung von weiteren Signalen auf die genannten Verknüpfungsschaltungen
stellen sich auf diese Weise die gewünschten Schalterstellungen
der Schalter 13, 15, 23 und 24 wechselweise
ein. Hierdurch resultiert ein Stromfluss durch die Motorwicklung 12 in
gewünschter
Richtung.
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Die
beschriebene Bestromungsfunktion ist am wenigsten priorisiert und
wird gewöhnlich
von der Stromtaktungsfunktion begleitet und modifiziert.
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Eine
hochfrequente Impulsfolge, welche am Eingang 26 anliegt
und auf die Eingänge 212 und 222 weitergeschaltet
wird, bewirkt ein hochfrequentes Ein- und Ausschalten der Schalter 23 und 24.
Diese Schalter werden durch die genannte Stromtaktungsfunktion gleichzeitig
ein- bzw. ausgeschaltet, und zwar mit einem Tastverhältnis, wie
es am Eingang 26 vorgegeben wird. Unabhängig von einer einzustellenden
Stromrichtung durch die Spule 12 findet auf diese Weise
in jedem Falle eine Taktung des Motorstroms statt.
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Die
Stromtaktungsfunktion ihrerseits wird durch die höher priorisierte
Strombegrenzungsfunktion gegebenenfalls deaktiviert, d. h. wirkungslos
gemacht. Diese beruht darauf, dass aktive Signale an Eingängen 161 und 171 der
Verknüpfungsschaltungen 16, 17 die
Schalter 13 und 15 öffnen, sofern nicht die noch
höher priorisierte
Bremsfunktion aktiv ist. Bei geöffneten
Schaltern 13 und 15 kann kein Strom durch die
Spule 12 fließen,
ein schädlicher Überstrom
wird verhindert. Um diesen Effekt zu erreichen, ist eine Strommesseinrichtung 11 vorgesehen.
Diese gibt ein Analog-Signal, welches dem Gesamtstrom von Schaltung
und Motor entspricht, an die Strombegrenzungsstufe 14.
Deren Ausgänge
werden bei Erreichen eines Strom-Limits für eine kurze Zeit aktiviert.
Hieraus resultiert die Öffnung
der Schalter 13 und 15 und damit ein Zusammenbruch
des Motorstroms. Die Ausgänge
der Strombegrenzungsstufe werden automatisch nach einer kurzen Zeit
im Milli- bis Submillisekundenbereich deaktiviert. Hierdurch beginnt
ein erneuter Stromfluss, der aber wegen der Motorinduktivität nicht
schlagartig einsetzt.
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Bei
erneutem Erreichen des vorgegebenen Stromlimits setzt die beschriebene
Strombegrenzungsfunktion abermals ein. Dieses Spiel wiederholt sich
solange, bis der Gesamtstrom unterhalb des Stromlimits bleibt. Die
entsprechende Taktfrequenz ist in einem weiten Bereich durch Dimensionierung der
Schaltelemente variabel.
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Darüber hinaus
existiert eine weitere Funktion mit einer noch höheren Priorisierungsstufe.
Die Aufgabe dieser Funktion ist es, den Motor in schneller und intensiver
Weise auf eine möglichst
niedrige Drehzahl abzubremsen. Dieses geschieht vorliegend dadurch,
dass ein Ausgangssignal einer Bremseinheit 18 auf Eingänge 162, 172, 213 und 223 der
Verknüpfungsschaltungen
gegeben wird. Dieses Signal veranlasst die Verknüpfungsschaltungen 21 und 22, die
Schalter 23 und 24 zu öffnen. Gleichzeitig bewirken
die Verknüpfungsschaltungen 17 und 16 das Schließen der
Schalter 13 und 15. Bei drehendem Motor wird im
Stator eine Gegen-EMK als Wechselspannung erzeugt. Bei geschlossenen
Schaltern 13, 15 arbeitet der Motor somit als
Generator im Kurzschlussbetrieb. Die kinetische Energie des Rotors wird
schnell in elektrische und letztendlich in thermische Energie umgewandelt.
Der Rotor wird dadurch in an sich bekannter Weise stark abgebremst.
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Ein
weiterer Aspekt der vorliegenden Ansteuerschaltung besteht darin,
dass zur Auslösung der
Bremsfunktion keine separate Signalleitung benötigt wird. Vielmehr ist eine
Bremsüberwachungsschaltung 27 vorgesehen,
welche ständig
das an dem Eingang 26 anliegende pulsweitenmodulierte Signal überwacht.
Bei Ausfall oder bei Unterschreiten eines vorgegebenen Minimal-Tastverhältnisses
dieses Signals wird die Bremsschaltung 18 aktiviert. Diese
erzeugt zwei zueinander komplementäre Ausgangssignale, welche
im aktiven Status den bereits beschriebenen Schaltzustand der Verknüpfungsschaltungen
zum Abbremsen des Motors erzwingen.
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Sofern
die genannten Schalter als Halbleiterschalter ausgeführt sind,
ist folgendes zu beachten: Ein für
den Bremsbetrieb geschlossener Schalter muss auch einen Stromfluss
entgegen dessen nomineller Stromflussrichtung führen können. Dies wird am einfachsten
dadurch erreicht, dass eine Invers-Diode zu den Emitter-Kollektor-Strecken
der beteiligten Transistoren parallel geschaltet wird. Diese Invers-Dioden
(Rückfluss-Dioden)
sind in modernen Darlington- und Feldeffekttransistoren bereits
enthalten und brauchen normalerweise nicht als separates Bauteil
vorgesehen zu werden.
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Je
nach Dimensionierung von Motor und Schaltern der Ansteuerschaltung
erfolgt eine Abbremsung des Rotors eines zu bremsenden Motors in
besonders rascher Weise, wenn bei hoher Gegen-EMK durch diese im
Generatorbetrieb besonders hohe Ströme verursacht werden. Diese
Ströme können so
hoch sein, dass elektronische Schalter unter Umständen kurzfristig überlastet
werden, was im Sinne einer hohen Zuverlässigkeit der Schaltung unerwünscht ist.
Es ist dann erforderlich, den maximal möglichen Bremsstrom zu limitieren.
Für andere
Anwendungen ist es wünschenswert,
die Winkelbeschleunigungswerte während
der Abbremsung variabel vorgeben oder beeinflussen zu können. Ausführungsformen
der Ansteuerschaltung, die diese Anforderungen erfüllen, sind
im folgenden erläutert.
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In
einer speziellen Ausführungsform
der Ansteuerschaltung werden zwei Schaltelemente einer Vollbrückenschaltung
zum Zwecke der Motorbremsung herangezogen, wobei die Schaltelemente
als Transistoren ausgebildet sind und nicht mehr im reinen Schalterbetrieb
verwendet werden. Vielmehr werden die Transistoren in einer Betriebsart
mit analoger Verstärkung
betrieben, was durch Vorgabe eines Basisstroms (oder einer Gate-Spannung)
erreicht wird. Je nach Höhe
eines solchen Basisstroms oder einer solchen Gate-Spannung im Bremsbetrieb wirken
die beteiligten Transistoren (wechselweise) als im wesentlichen
ohmsche Widerstände
und reduzieren daher den Bremsstrom gemäß dem Ohmschen Gesetz. Mit
reduziertem Bremsstrom ist auch die auf den Motor einwirkende Bremsleistung (EMK·Bremsstrom)
reduziert, der Motor wird langsamer abgebremst, und es wird verhindert,
dass ein höherer
Strom durch die Transistoren fließt, als dies nach Herstellerangabe
zulässig
ist.
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In
einer anderen besonderen Ausführungsform
der Ansteuerschaltung wird ein vorgegebener Motor-Bremsstrom dadurch
limitiert, dass der Bremsstrom gepulst wird. Dies heißt, dass
die Gegen-EMK des Motors abwechselnd für eine kurze Zeit im wesentlichen
kurzgeschlossen wird und dann wieder für eine weitere kurze Zeit praktisch
geöffnet
wird, worauf sich das Spiel wiederholt. Wegen der Induktivität des Motors
stellt sich der Motor-Kurzschlussstrom nicht sofort in voller Höhe ein,
sondern steigt gemäß bekannten
Stromverlaufs-Funktionen allmählich
an. Sobald ein vorgegebener Grenzwert erreicht ist, wird der genannte
Kurzschluss aufgehoben, worauf der Motor-Kurzschlussstrom ebenfalls
gemäß bekannten Stromverlaufs-Funktionen wieder
abfällt.
Hierauf wird wieder kurzgeschlossen u. s. w. Es ist ersichtlich, dass
bei diesem Bremsbetrieb sowohl der durch beteiligte Transistoren
maximal fließende
Strom auf einen beliebigen Wert vorgegeben werden kann, als auch
die Bremszeit des Motors an gewünschte
oder vorgegebene Werte angepasst werden kann.
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In
einer weiteren Ausführungsform
der Ansteuerschaltung wird ein kombiniertes Verfahren verwendet,
wobei der Motor-Bremsstrom sowohl durch pulsweises Ein- und Ausschalten
als auch durch Limitierung der Basisströme der beteiligten Transistoren
reduziert wird. Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel dafür ist in 3 dargestellt.
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Der
Eingang PWM dient der Entgegennahme eines pulsweitenmodulierten
Drehzahlsignales. An die Kollektoren von Transistoren 541 und 542 ist die
Spule des Gleichstrommotors, vorzugsweise eines kollektorlosen Gleichstrommotors,
angeschlossen. Durch den Schaltpunkt Vcc wird die positive Versorgungsspannung
für die
Schaltung eingespeist. Die Schaltpunkte GND und – bezeichnen die Zuführung einer
neutralen Versorgungsspannung in Höhe von 0 Volt.
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Die
Schaltung weist weiterhin eine Schaltungseinheit zur Kommutierung
des Motors auf, welche sich um ein Hall-IC 545 gruppiert.
Die Bestromung des Motors erfolgt über eine Vollbrücke, welche
durch Transistoren 541, 542, 543 und 544 gebildet
wird. Weiterhin sind eine Verknüpfungsschaltung, welche
sich um Doppeldioden 518, 522, 523, 553 und 557 gruppiert,
und eine sich um Schaltelemente 502, 503 und 506 bis 517 gruppierende
Strombegrenzungsschaltung vorgesehen. Die Ansteuerschaltung ist
ferner mit einer Drehzahlauswertung, welche sich um Bauteile 546 bis 552 gruppiert,
und einer Pulsweiten-Erkennungsschaltung ausgestattet, welche sich
um Bauteile 565 bis 570 gruppiert. Die Pulsweiten-Erkennungsschaltung
wirkt auf zwei Eingänge
eines Bremssignal-Generators ein. Dieser Bremssignal-Generator gruppiert
sich zum einen um Bauteile 559 bis 564, welche
Bestandteil einer Oszillatorstufe sind, und zum anderen um Bauteile
(Schaltelemente) 554, 555, 556 und 558,
welche so geschaltet sind, dass ein Freischaltsignal für die Transistoren 543 und 544 erzeugt
wird, sofern dieser Teil des Bremssignal-Generators aktiviert wird.
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Die
Wirkungsweise des Bremssignalgenerators ist im einzelnen wie folgt:
Die
Pulsweitenerkennungsschaltung wird als Bremsüberwachungsschaltung genutzt,
d. h. es wird ständig
ein am Eingang "PWM" anliegendes pulsweitenmoduliertes
Signal überwacht.
Bei Ausfall oder bei Unterschreiten eines vorgegebenen Minimal-Tastverhältnisses
dieses Signals erzeugt der Komparator 414 ein Ausgangssignal,
welches direkt auf den invertierenden Eingang des Komparators 214 und über den
Widerstand 564 auf den nichtinvertierenden Eingang des
Komparators 314 gegeben wird.
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Der
Komparator 214 gibt daraufhin ein Ausgangssignal niedrigen
Potentials ab (Low-Pegel), welches über die Doppeldiode 553 die
Transistoren 543 und 544 sperrt. Eine motorischer
Betrieb des Elektromotors ist daher nicht mehr möglich, es kann allenfalls durch
(vorwärts-
oder rückwärts-)leitfähige Transistoren 541 und 542 der
generatorische, d. h. Bremsbetrieb des Elektromotors herbeigeführt werden.
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Dies
geschieht dadurch, dass im Bremsbetrieb der Ausgang des Komparators 314 auf
hohem Potential liegt und über
Widerstand 558 und Doppeldiode 557 die Transistoren 534 und 535 leitfähig macht.
Infolgedessen werden die PNP-(Darlington)-Transistoren 541 und 542 anteilig
oder vollständig
geöffnet,
so dass der Elektromotor unabhängig von
seiner Drehrichtung gebremst wird (Kurzschlussbetrieb bzw. Quasi-Kurzschlussbetrieb
unter Benutzung der eingebauten Inversdioden der Transistoren 541 und 542).
Durch Wahl des Wertes des Widerstandes 558 kann dieser
Kurzschlussstrom auf einen Wert eingestellt werden, der eine Schädigung der Transistoren 541 und 542 durch
den Bremsbetrieb mit Sicherheit ausschließt.
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Durch
die Schaltungsanordnung der Oszillatorstufe wird der Komparator 314 in
an sich bekannter Weise als Oszillator genutzt, wobei das Signals
an seinem Ausgang steile Anstiegs- und Abfallflanken hat. Durch
die Wahl des Kondensators 562 wird die Oszillatorfrequenz
definiert. Sie beträgt
bevorzugt 22 kHz. Durch Wahl der Widerstände 563 und 564 erfolgt
eine Einstellung des Tastverhältnisses,
welches angibt, in welchem Verhältnis
die Zeiten hoher bzw. niedriger Ausgangsspannung des Komparators 314 stehen.
Es ist ohne weiters möglich,
dies Tastverhältnis
auf Werte zwischen 10% und 90% einzustellen. Durch das Tastverhältnis des
Oszillators wind also ein maximaler Bremsstrom definiert. Dieser
ist zu einem gewissen Teil von der höchsten zu erwartenden Drehgeschwindigkeit
des Motors abhängig.
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Je
nach Motortyp und verwendeten Endstufen-Transistoren gelingen auf
diese Weise ein wirksamer Überstromschutz
für die
Endstufen-Transistoren oder ein langsamerer Abbremsvorgang für den Motor.