NL7906540A - Stroombegrenzer. - Google Patents

Description

t VO 3350

Kollmorgen Technologies Corporation,.

Dallas, Texas, Verenigde Staten van Amerika.

Stroombegrenzer. ;

De uitvinding heeft betrekking op een stroombegrenzer voor een getransistoriseerde vermogensversterker en meer in het bijzonder op een stroombegrenzer voor het schakelen van een servoversterker, welke meer in het bijzonder is ontworpen voor het verschaffen van + 75 V 5 bij + 10A, teneinde een gelijkst room-servomotor aan te drijven.

In schakelservoversterkers worden in het algemeen transconduc-tantieversterkers toegepast. Een transconductantieversteiker zorgt ervoor, dat de motorstroom recht evenredig is met de ingangsspanning.

Om zowel de motor als de versterker te beveiligen, wordt de ingangs-10 spanning tot een maximum waarde beperkt. Een eenvoudige wijze van het i beperken van de ingangsspanning is gelegen in het gebruik van twee rug in serie verbonden Zener-dioden, die tussen de ingang van de versterker en aarde zijn verbonden. Hierdoor wordt de ingangsspan-ning beperkt tot + V , waarbij V de Zener-doorslagspanning is, waar-15 bij een diodespanningsval in de doorlaatrichting wordt verwaarloosd.

Op deze wijze wordt ook de stroom beperkt, welke stroom evenredig is met 'de ingangsspanning. Ofschoon dit ene mogelijke wijze van stroom-begrenzing is, is deze methode ongewenst, aangezien hierbij geen verschil wordt gemaakt tussen stroompieken, welke naar de tijd dicht ach-20 ter elkaar optreden en die, welke naar de tijd op een grote afstand van elkaar optreden.

Teneinde een snelle motorversnelling en maximaal motorrendement te verkrijgen is het dikwijls gewenst gedurende korte perioden stromen met betrekkelijk grote piekwaarde toe te staan. Gelljkstroommotorén 25 met ankers met kleine zelfinductie (bijv. in de vorm van een gedrukte keten) kunnen grote stroompulsen met zeer korte duur accepteren en hierop reageren. Stroombegrenzers, welke geen grote piekstromen gedurende betrekkelijk korte perioden toestaan, degraderen derhalve in wezen de werking van de motor. Omgekeerd maken stroombegrenzer^, die 30 grote stroompieken afhankelijk van hun optreedfrequentie mogelijk maken, ook excessieve continue stromen mogelijk, die zowel de versterker als 7906540 ' 2 de motor kunnen beschadigen of vernielen.

Vólgens de uitvinding worden tekortkomingen geelimineerd door zowel de piek- als gemiddelde stroom in een schakelservoversterker onafhankelijk instelbaar te begrenzen. De versterkerstroom wordt ge-5 controleerd en wanneer de gemiddelde stroom gering is, worden grote piekstromen naar de motor gevoerd. Wanneer de gemiddelde stroom evenwel groot is, worden de grote stroompieken begrensd. In alle gevallen wordt evenwel de maximale piekstroom beperkt.

De uitvinding zal onderstaand nader worden toedicht onder ver-10 wijzing naar de tekening waarin men een vereenvoudigd schema van een uitvoeringsvorm van een stroombegrenzer volgens de uitvinding vindt.

De tekening toont een positieservostelsel. Men zou ook. andere typen servostelsels hebben kunnen gebruiken ter illustratie van de uitvinding. Het positieservostelsel omvat een foutketen 10, een stroom-15 begrenzer 12, een transconductantievers ferker 1U, een motor 16, een tachometer 18 en een positietransducent 20. De motor 16, de tachometer 18 en de positietransducent 20 zijn mechanisch met elkaar gekoppeld.

' De foutketen 10 bezit drie ingangssommeerweerstanden 22, 2k, en 26, die resp. de tachomet eruit gangsspanning, een referentlespanning, 20 welke indicatief is voor de gewenste positie, en de positietransducent— uitgangsspanning, welke indicatief is voor de -wrkelijke positie, sommeren. Het uitgangssignaal van de weerstand 22, 2k en· 26 wordt toegevoerd aan een operationele versterker 28. In serie met de uitgang van de versterker 28 is een weerstand 30 verkonden. Terugkoppeling wordt 25 verschaft door een weerstand 32.

Het uitgangssignaal-van de foutketen 10 is gelijk, aan V^, welk. signaal aan eeningang van het sommeerpunt 3^· in de transconductantie.— versterker 1^ wordt toegevoerd. Het andere ingangssignaal van het sommeerpunt 3^.is een spanning, welke evenredig is'met de momentane 30 stroom in de motor 16, die over een stroomaftastweerstand 361 wordt opge wekt. Het uitgangssignaal van het sommeerpunt wordt versterkt door een vermogensversterker 38. De vermogensversterker 38 omvat meer in het bijzonder vier uitgangstransistoren, die volgens: de s-chakelmodus: worden bedreven en volgens een "Η" of brugconfiguratie zijn verbonden. Γη dit 35 verband wordt gewezen op bijv. "Drive Servos With. Switching Amplifier", 7906540 i # 3 in Electronic Design 26, 20. december 1977* pagina lk2-lk5.

Zoals reeds is opgemerkt, omvat de uitvinding twee aspecten.

Het eerste aspect Heeft betrekking op de piekstroombegrenzing en Het tweede aspect op de beperking van de gemiddelde stroom. Deze bei.de as— 5 pecten zullen thans nader worden toegelicht.

De over de weerstand 36 opgewekts spanning is: direkt evenredig met de motorstroom. Deze spanning bevat evenwel meer in Eet. Bijzonder een rimpel (bijv. bij 5KHz) uit de schakelelementen in de transconduc-tantieversterker 1U. Fanneer de spanning over de weerstand 36 aan de 10 stroombegrenzer 12 wordt toegevoerd, wordt de spanning eerst gefilterd door een weerstand li-0 en een condensator h2. Ha het filteren wordt de spanning aan de operationele versterker toegevoerd, die tezamen met de bijbehorende componenten een inverterende. ahsolute-=waardeketen vormt.

Het uitgangssignaal van deze absolute-waardeketen, dat steeds: negatief 15 is, wordt toegevoerd aan een middelingsketen, bestaande.· uit eeh weerstand hè en een condensator U8. Eet uitgangssignaal van de middelihgs:— keten wordt toegevoerd aan een ingang van een versterker' 5Q.. Hat andere, ingangssignaal van de versterker 5Q wordt bepaald door een variabele weerstand 52, waarmede de grenswaarde van eb gemiddelde stroom wordt 20 ingesteld.

Fanneer wordt aangenomen, dat de uitgangsspanning van de middelingsketen meer positief is dan de spanning, welke bij de weerstand 52 is ingesteld (d.w.z., dat de gemiddelde stroom kleiner is dan de grenswaarde van de gemiddelde stroom)., is het uitgangssignaal van 25 de versterker 50. positief verzadigd .en wordt de diode 5^ in de keerrich— ting voorgespannen.

De variabele weerstand 56, welke de spanning aan de ingang van de operationele versterker 58 bepaalt, stelt da grenswaarde van de piekstroom in. Fanneer de diode 5k in de keerrichtlng is voorgespannen, 30 is de-versterker 58 in wezen als een spanningsvolger via de weerstand 6o en de diode 62 verbonden. Derhalve volgt de spanning op de cathode van de diode 62, Y , de met de weerstand 52 ingestelde spanning.

De grendelketen omvat operationele versterkers 6k en 66, tesamen met de bijbehorende compnenten, en de weerstand 30, aangegeven als 35 deel uitmakende van de foutketên 10. Fanneer Y^. is gelegen tussen Yc 7906540 h en -V , heeft de grendelketen geen invloed en wordt direct aan de transconductantieversterker toegevoerd. Wanneer poogt groter te worden dan +Vc, wordt de V^. evenwel vergrendeld op +Vc.

Wanneer wordt aangenomen, dat tracht groter te worden dan 5 V , dan zal het uitgangssignaal van de versterker 6h trachten negatief te worden, waardoor de diode 68 in de doorlaatrichting wordt voorgespannen. Wanneer de diode 68 in de doorlaatrichting wordt voorgespannen, wordt de versterker 6k een eenvoudige spanningsvolger en is gedwongen Vc te volgen (d.w.z. wordt vergrendeld op V )·. Het· uitgangssignaal 10 van de versterker 28 neemt tot de positieve verzadigingsgrenswaarde daarvan toe in een poging aan de terugkoppeleisen daarvan te voldoen. Over de weerstand 30 wordt een spanning opgewekt, waarbij een zijde naar de positieve verzadigingsgrensspanning van de versterker 28 gaat en de andere zijde op Yc is vergrendeld. De resulterende stroom 15 vloeit vanuit de weerstand 30 over de diode 68 en houdt de diode 68 in de doorlaatrichting voorgespannen. Aangezien zowel als positieve spanningen zijn, is het inverterende ingangssignaal van de versterker 66 sterk positief. Het uitgangssignaal van de versterker 66 wordt daardoor sterk negatief gedreven en de diode 70 wordt 20 in de keerrichting voorgespannen. De versterker 66 wordt derhalve ten op zichte van Y^ geïsoleerd en heeft geen invloed.

Wanneer nu wordt aangenomen, dat tracht groter te worden dan -VQ (waarbij Vc zelf steeds een positieve spanning is), zal de spanning op de inverterende ingang van de versterker 66 negatief zijn.

25 De spanning aan de uitgang van de versterker 66 is positief en de diode 70 wordt in de doorlaatrichting voorgespannen. De versterker 66 wordt een inverterende versterker met de eenheidsversterking. De versterking is gelijk aan de eenheid omdat de weerstanden 72 en 7^· gelijke waarden hebben, waarbij de weerstand 72 in wezen de "terugkoppel’'-weerstand is 30 en de weerstand 7^· de "ingangs" weerstand is. De ingangsspanning voor de versterker 66 is gelijk aan Vc en de uit gangs spanning is gelijk aan -V . Derhalve wordt V_ vergrendeld op -V .

Het uitgangssignaal van de versterker 28 neemt tot de negatieve verzadigingsgrens daarvan af in een poging om aan de terugkoppeleisen 35 daarvan te voldoen. Over de weerstand 30 wordt een spanning opgewekt, waarbij een zijde naar de negatieve verzadigingsgrensspanning van de 7906540 5 ' versterker 28 gaat en de andere zijde wordt vergrendeld op V .

De resulterende stroom vloeit vanuit de versterker 66 over de diode 70 en de weerstand 30 en houdt de diode 70 in de doorlaatrichting voorgespannen.

5 Wanneer V_ £.s gelegen tussen V en-? , wordt het uitgangssig- X 0 0 naai van de versterker 6k verzadigd positief en wordt de diode 68 in de keerrichting voorgespannen. Het uitgangssignaal van de versterker 66 wordt verzadigd negatief en de diode 70 wordt eveneens in de keerrichting voorgespannen. Derhalve heeft voor -V V de grendelketen οχ o 10 geen effect.

Wanneer nu de grenswaarde van de gemiddelde stroom wordt beschouwd, is de spanning op de condensator 48 evenredig met de absolute waarde van de gemiddelde motorstroom. ïndien de gemiddelde motorstroom kleiner is dan de grenswaarde van de continue stroom, is de spanning 15 op de condensator U8 meer positief dan de bij de weerstand 52 ingestelde spanning, is het uitgangssignaal van de versterker 50 positief verzadigd, is de diode 54 in de keerrichting voorgespannen en wordt bij de weerstand 56 ingesteld.

Wanneer de spanning op de condensator k6 meer negatief wordt 20 dan de spanning op de negatieve ingang van de versterker 50 (hetgeen betekent, dat de gemiddelde stroom de grenswaarde van deze gemiddelde stroom heeft overschreden), neemt het uitgangssignaal van de versterker 50 af en worden zowel de diode 54 als de diode 62 in de doorlaatrichting voorgespannen. Het uitgangssignaal van de versterker 58 neemt tot 25 de positieve verzadigingsgrenswaarde daarvan toe en wordt vergrendeld opVc.

Er wordt op gewezen, dat de combinatie van de weerstand 46 en de condensator 48 de werking van de gemiddelde stroombégrenzer zodanig vertraagt;., dat piekstromen kunnen worden geleverd. Wanneer de spanning 30 op de condensator 58 de door de weerstand 52 ingestelde grenswaarde overschrijdt, werkt de gemiddelde -stroombegrenzer.Dit kan het gevolg zijn van een aantal opeenvolgende pieken of alleen een excessieve vereiste stroom op een eonstante-toestandbasis.

Besuikerende vindt bij de zojuist beschreven keten een piek-35 stroombegrenzing in wezen momentaan plaats. De gemiddelde -stroombegren- 7906540 6 zing wordt evenwel vertraagd met de tijdconstante, verschaft door de weerstand 46 en de condensator 48. De lading op de condensator 1)-8 houdt verhand met de absolute waarde van de gemiddelde motorstroom. Indien de motor eerst dicht bij de continue waarde daarvan loopt 5 of wordt onderworpen aan een reeks vereiste piekstromen, zal de condensator 48 in sterke mate worden geladen en zal slechts een piek voor korte duur worden toegestaan voordat de condensator 48 voldoende wordt geladen om de versterker 50 te "activeren". Indien de condensator evenwel bijna niet geladen is (hetgeen een kleine motorstroom en de afwezig-10 heid van pieken in het "recente verleden" van de geldende golfvorm impliceert), zal een piekstroom met betrekMLijk grote duur worden toegestaan voordat de condensator 48 voldoende wordt geladen om de versterker 50 te "activeren".

Daardoor worden vele overbelastingssituaties bestuurd. Opeen-15 volgende pieken zullen, indien deze naar de tijd te dicht bij elkaar zijn gelegen, de gemiddelde -stroombegrenzer activeren, terwijl dezelfde pieken, indien zij naar de tijd niet zo dicht bij elkaar zijn gelegen, automatisch zullen worden doorgelaten. In alle gevallen zal evenwel de piekstroombegrenzer werken onafhankelijk van de gemiddelde -stroom-20 begrenzer.

Ten aanzien van de' componenten waaruit de stroombegrenzer is opgebouwd, wordt opgemerkt, dat alle versterkers van het geïntegreerde -ketentype kunnen zijn. De versterker 28 kan zijn van het type EM358N, de versterker 44 van het type LF355AN en de versterkers' 50». 58, 64 en 25 66 van het type LM324 3ST. Alle dioden kunnen van het type Iïï4l48 zijn.

Alle weerstanden kunnen een tolerantie van + % hebben, behalve de weerstanden 72 en 74, waarvan de tolerantie +1% kan bedragen. Typische weerstands- en capaciteitswaarden zijn, indien nodig, in de tekening aangegeven.

30 7906540

Claims (3)

1. 2. Stroombegrenzer volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat de grendelorganen zijn voorzien van schakelbare versterkerorganen, 2Q die van toestand veranderen vanneer'de spanning, overeenkomende met de gemiddelde stroom, groter is dan de stroom, velke overeenkomt met de gemiddelde-stroomgrensvaarde.
2. 3. Stroombegrenzer volgens conclusie 1 of 2, met het kenmerk, dat de middelingsorganen zijn voorzien van een absolute-vaardeketen voor 25 het bepalen van de absolute vaarde van een spanning, velke overeenkomt met de stroom van de transconductantieversterker. ij·. Werkwijze voor het onafhankelijk begrenzen van zovel de piekstroom als de gemiddelde striin vab· eeb transeonductantïeservoverster-ker door de ingangsspanning van de versterker te vergrendelen, met-het 30 kenmerk, dat een instelbare spanning vordt opgewekt, die met een piek— stroomgrensvaarde overeenkomt, een instelbare spanning vordt opgewekt, velke overeenkomt met een gemiddelde-stroomgrensvaarde, een spanning wordt opgewekt, velke overeenkomt met de gemiddelde stroom van de ver-*· sterker, en de ingangs spanning van de versterker vordt vergrendeld van— 35 neer de ingangs spanning de neiging heeft de spanning, overeenkomende 7906540 ί;. ·' . 8 met de piekstroomgrenswaarde te.,overschrijden, of teimeer'da spanning, overeenkomende met de gemiddelde stroom, groter 1st dan de.' spanning, •welke overeenkomt met de gemiddel de-st r o om- grenswaarde.
3. 5· S'troombegrenzer volgens conclusie. met het kenmerk., dat 5 hij het opwekken van een spanning, welke overeenkomt met de gemiddelde stroom van de versterker, de ahsOlute waarde van een spanning, over-*· eenkomende met de versterkerstroöm, wordt Bepaald. 1° 7906540