DE2849216A1 - Vorrichtung zur drehzahlregelung von gleichstrommotoren - Google Patents
Vorrichtung zur drehzahlregelung von gleichstrommotorenInfo
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Description
_ k _ 2649218
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Geschwindigkeitsregelung von Gleichstrommotoren. Insbesondere
betrifft die vorliegende Erfindung eine Vorrichtung zur Drehzahlregelung eines Gleichstrommotors, der dabei mit einem
größeren steuernden Drehmoment und einem größeren anfänglichen Drehmoment wie bei bekannten Anordnungen betrieben werden kann.
Vorrichtungen zur Geschwindigkeitsregelung, die sogenannten Drehzahlregler, sind für kleine Gleichstrommotore so aufgebaut,
daß eine der Geschwindigkeit proportionale elektromotorische Gegenkraft von beiden Enden der Motorwicklung abgenommen und
mit einer Bezugsspannung verglichen wird; der Gleichstrommotor wird dann mit der daraus abgeleiteten Differenzspannung dieser
beiden Spannungen gesteuert. Bei derartigen bekannten Anordnungen tritt als Schwierigkeit auf, daß die Drehzahlregelung
mit Hilfe einer Differenzspannung durchgeführt wird, die der
Unterschied der Bezugsspannung und der an den beiden Enden der
Motorwicklung auftretenden Spannung ist. Die von der Motorwicklung abgenommene Spannung ist im allgemeinen nicht genau gleich
der elektromotorischen Gegenkraft sondern wird durch einen Spannungsabfall beeinflußt, der hauptsächlich vom ohmschen
Widerstand der Motorwicklung herrührt. Im allgemeinen wurde die Schaltung deshalb so aufgebaut, daß sie eine Widerstandsbrücke
umfaßt, die eine genaue Drehzahlregelung dann durch Abnahme und
Verwendung der elektromotorischen Gegenkraft von den beiden Enden der Motorwicklung ermöglicht. In einer Drehzahlregelvorrichtung
mit einer derartigen Widerstandsbrücke ist es wichtig, daß die Widerstände genau vorgegebene Werte haben. In den letzten
Jahren sind viele elektronische Schaltungen aus Halbleiter-Bauelementen oder integrierten Schaltungen aufgebaut worden, und
diese Drehzahlregelvorrichtungen sind als integrierte Halbleiterschaltungen ausgeführt worden. Da es aber im allgemeinen
schwierig ist, die genauen Widerstandswerte der Brückenwiderstände in eindiffundierten Halbleitergebieten herzustellen,
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werden die Brückenwiderstände im allgemeinen als äußere, an die integrierte Schaltung angeschlossene Widerstände verwendet. Die
Verwendung solcher äußerer Widerstände mit einer integrierten Schaltung macht mehrere äußere Anschlußdrähte, die von der integrierten
Schaltung ausgehen, notwendig.
Um diesen Nachteil zahlreicher Drahtverbindungen zu überwinden, ist die in Figur 1 dargestellte bekannte Vorrichtung mit
integrierten Schaltungen vorgeschlagen worden.
In der bekannten, in Figur 1 dargestellten Vorrichtung bestehen die von gestrichelten Linien umschlossenen Bauteile aus
einer monolithischen integrierten Schaltung, die aus einer Steuerschaltung 1, einem Bezugsspannungsgenerator 2, einer Strombegrenzungsschaltung
3» einer Konstantstromschaltung k und einer Stromteilerschaltung 5 besteht. Eine Klemme 6 für die Stromversorgung, eine Ausgangsklemme 7 und ein Anschluß 8 für einen Hegelvfiderstand
10 sind die äußeren Anschlußteile dieser integrierten Schaltung. Ei^e nicht dargestellte Spannungsquelle wird an Klemme
6 und Erde angeschlossen, ein Motor 9 wird an Ausgangsklemme 7 und Erde angeschlossen, und ein Regelwiderstand 10 wird an Klemme
8 und Erde angeschlossen, wobei durch Einstellung des Regelwiderstands die gewünschte Drehzahl des Motors gewählt wird.
In dieser bekannten Vorrichtung zur Drehzahlregelung wird eine der elektromotorischen Gegenkraft Ea des Gleichstrommotors
proportionale Bezugs spannung Vre£· an der Ausgangsklemme 7 und der
Klemme 8 erzeugt; der Spannungsabfall im Regelwiderstand 10 wird
so eingestellt, daß er gleich der Bezugsspannung V ist. Wenn z.B. der durch den Innenwiderstand des Gleichstrommotors 9
bewirkte Spannungsabfall durch äußere Einwirkungen verändert
wird, wird der durch Regelwiderstand 10 fließende Strom verändert, sodaß mit Hilfe der Stromteilerschaltung 5 die Bezugsspannung
V gleich der elektromotorischen Gegenkraft E gemacht wird. Schwankungen in'der Drehzahl des Gleichstrommotors werden damit
unterdrückt.
Wenn die Drehzahl eines Gleichstrommotors mit dieser Vorrichtung eingeregelt wird, ergibt sich als Schwierigkeit, ein großes
anfängliches Drehmoment zu erhalten. Es dauert deshalb ziemlich lange, bis die Drehgeschwindigkeit des Motors einen vorgegebenen
Wert erreicht hat und das maximale steuernde Drehmoment ist klein.
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Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, die beschriebenen, bei bekannten Drehzahlreglern von Gleichstrommotoren auftretenden
Schwierigkeiten zu beseitigen.
Die vorliegende Erfindung schafft eine verbesserte Vorrichtung zur Drehzahlregelung von Gleichstrommotoren, durch die der
Gleichstrommotor mit einem größeren steuernden Drehmoment und mit einem größeren anfänglichen Drehmoment wie bei bekannten
Vorrichtungen betrieben werden kann.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Drehzahlregelung von
Gleichstrommotoren umfaßt eine Schaltung mit einem ersten Transistor 11 und zweiten Transistoren 12-14, deren Basisanschlüsse
zusammengeschaltet sind, wohingegen die Kollektoranschlüsse der zweiten Transistoren in Reihe mit dem Gleichstrommotor
9 geschaltet sind, um damit den Motorstrom einzuregeln. Den Basisanschlüssen der Transistoren wird ein zur Sättigung der
Transistoren ausreichender Strom zugeführt, wodurch das maximale steuernde Drehmoment und das anfängliche Drehmoment des Gleichstrommotors
erhöht werden.
Figur 1 ist ein Blockschaltbild und zeigt schematisch den Aufbau einer bekannten Vorrichtung zur Drehzahlregelung von
Gleichstrommotoren.
Figur 2 zeigt die Schaltung eines Beispiels einer erfindungsgemäßen
Vorrichtung zur Drehzahlregelung.
Figur 3 zeigt graphisch im Vergleich die Beziehung zwischen
den Drehmomenten und der Drehzahl für Gleichstrommotore, die mit bekannten Vorrichtungen zur Drehzahlregelung und der erfindungsgemäßen
Vorrichtung betrieben werden.
Figur 4 zeigt schließlich eine Schaltung einer abgeänderten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
In der in Figur 2 dargestellten vorzugsweisen Ausführungsform sind der erste Transistor 11 und die zweiten Transistoren
12, 13, ···, l4 von der gleichen Type (npn-Transistoren), haben
die gleichen elektrischen Kennlinien und sind mit ihren Basisanschlüssen zusammengeschaltet. Die Emitteranschlüsse der
Transistoren 11, 12, 13, ··♦, l4 sind über gleichartige Emitterwiderstände
zusammengeschaltet und mit dem negativen Anschluß 30, d.h. der Erdung der Stromquelle verbunden. Die Transistoren
11-14, deren Basisanschlüsse zusammengeschaltet sind, bilden
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eine spiegelbildliche Schaltung, in der der Kollektoranschluß des ersten Transistors 11 über den Verbindungspunkt 19 und einen
Widerstand 20 mit dem positiven Anschluß 21 der Stromquelle verbunden ist; die Kollektoranschlüsse der zweiten Transistoren
12-14 sind gemeinsam an einen Anschlußpunkt 22 geführt. Der Gleichstrommotor 9 ist an Anschlußpunkt 22 und den positiven
Anschluß 21 geschaltet. Der gesamte Kollektorstrom der zweiten
Transistoren 12-14 fließt durch den Gleichstrommotor. Durch Einstellung der Basisströme der zweiten Transistoren 12-l4 können
damit der Strom I des Gleichstrommotors und damit seine Drehzahl eingestellt werden. Die Transistoren 23 und 24 sind pnp-Transistoren
und bilden einen Differentialverstärker 3*ι in dem der Basisanschluß
des Transistors 23 mit Anschlußpunkt 22 verbunden ist,
während der Basisanschluß des Transistors 24 mit dem negativen Anschluß 251 einer Bezugsspannungsquelle 25 verbunden ist. Die
Emitteranschlüsse der Transistoren 23 und 24 sind zusammengeschaltet
und über eine Konstantstromschaltung 101 an den Anschlußpunkt 19 geführt. Mit den Kollektoranschlüssen der Transistoren
23 und 24 sind die entsprechenden Kollektoranschlüsse von zwei npn-Transistoren 26 und 27 verbunden« die so geschaltet sind,
daß sie die spiegelbildliche Schaltung 3' bilden. Die Emitteranschlüsse der Transistoren 26 und 27 sind mit dem negativen
Anschluß 30 der Stromquelle verbunden. Der Basisanschluß eines pnp-Transistors 28 ist mit dem negativen Anschluß 251 der Bezugsspannungsquelle
25 verbunden; der Emitteranschluß dieses
Transistors ist mit Verbindungspunkt 22 und sein Kollektoranschluß mit dem Emitter des ersten Transistors 11 verbunden. Der
Verbindungspunkt der Kollektoranschlüsse der Transistoren 24 und 27 ist mit dem Basisanschluß eines pnp-Transistors 31 verbunden,
dessen Emitter über Konstantstromschaltung 29 mit Verbindungspunkt
19 verbunden ist, während der Kollektoranschluß des Transistors mit dem negativen Anschluß 30 der Stromquelle verbunden
ist. Der Basisanschluß eines Transistors 33 ist mit dem
Emitteranschluß des Transistors Jl verbunden, während der Kollektoranschluß
des Transistors 33 mit Verbindungspunkt 19 verbunden ist. Der Emitteranschluß dieses Transistors ist mit den Basisanschlüssen
des ersten Transistors 11 und der zweiten Transistoren 12-14 und über Widerstand 32 mit dem negativen Anschluß 30
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der Stromquelle verbunden. Ein veränderlicher Widerstand 34
wird zur Einstellung der Drehzahl verwendet und ist zwischen Anschlußpunkt 22 und Anschlußpunkt 19 eingesetzt. Eine Konstantstromschaltung
35 ist zwischen Anschlußpunkt 19 und dem negativen Anschluß 30 der Stromquelle geschaltet. Aufgabe der Konstantstromschaltung
35 ist es, Veränderungen des durch Anschlußpunkt 19 fließenden Stroms bei Veränderungen des Kollektorstroms
des Transistors 33 zu verhindern»
Die Drehzahlregelung mit Hilfe des in Figur 2 dargestellten Ausführungsbeispiels findet bei Schwankungen der Drehzahl in
der folgenden Weise statt.
1. Vorgänge bei Erhöhung der Drehzahl: Wenn die Drehzahl des
Motors schwankt und einen vorgegebenen Viert überschreitet, übersteigt
die elektromotorische Gegenkraft E des Gleichstrommotors
Gl
9 einen vorgegebenen Wert und damit sinkt das Potential an Anschlußpunkt 22 unter einen bestimmtan Wert ab. Durch diese
Abnahme des Potentials am Anschlußpunkt 22 kommt ein Anstieg der Basisvorspannung des Transistors 23 zustande, der einen Teil des
Differentialverstärkers 3' bildet. Die Basisspannung übersteigt damit die des anderen Transistors 24, wodurch der Kollektorstrom
des Transistors 23 und damit der Kollektorstrom des Transistors
26 zunehmen. Der Kollektorstrom des Transistors 27, der zur spiegelbildlichen Schaltung 3" gehört, nimmt auch zu, wodurch
der Basisstrom des pnp-Transistors 31 ansteigt (der Basisstrom
fließt vom Basisanschluß des Transistors 31 an den Kollektoranschluß
des Transistors 27)· Die weitere Folge ist, daß der Emitterstrom des Transistors Jl ansteigt. Da der Emitterstrom des
Transistors 31 und der Basisstrom des Transistors 33 von der
gemeinsamen Konstantstromschaltung 29 kommen, nimmt der Basisstrom des Transistors 33 zu dem Zeitpunkt ab, zu dem der Emitterstrom
des Transistors 31 zunimmt. Die Folge ist, daß die Basisströme und damit auch die Kollektorströme des ersten
Transistors 11 und der aweiten Transistoren 12-14: abnehmen. Durch diese Abnahme der Kollektorströme der zweiten Transistoren
12-lA wird der den Gleichstrommotor durchfließende Strom reduziert,
was wiederum eine Verringerung der Drehzahl zur Folge hat. Diese Regelung zur Verringerung der Drehgeschwindigkeit des
Motors hält an, bis dis olelctromotorisclie Gegenkraft auf sisien
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vorgegebenen Wert gekommen ist, wodurch dann die Basisvorspannun-■ίι-·η
der Transistoren 23 und 2k des Differentialverstärkers 3'
ins Gleichgewicht kommen.
2. Vorgänge bei Verringerung der Drehzahl: Wenn die Drehzahl des Motors schwankt und unter einen vorgegebenen Wert absinkt,
sinkt auch die elektromotorische Gegenkraft E des Gleichstrom-
Si
motors 9 unter einen vorgegebenen Wert ab und damit steigt das Potential an Anschlußpunkt 22 über einen vorgegebenen Wert an.
Durch diesen Anstieg des Potentials am Verbindungspunkt 22 wird die Basisvorspannung des Transistors 23, der einen Teil des
Differentialverstärkers 3' bildet, verringert. Die Basisvorspannung wird damit kleiner als die des anderen Transistors 24 und dadurch werden der Kollektorstrom dieses Transistors und
auch der des Transistors 26 verringert. Die weitere Folge ist, daß auch der Kollektorstrom des Transistors 27» der einen Teil der spiegelbildlichen Schaltung 3" bildet, abnimmt, wodurch der Basisstrom des pnp-Transistors 31 reduziert wird. Dadurch wird auch der Emitterstrom des Transistors 31 verringert. Die Folge dieser Verringerung des Emitterstroms des Transistors 31 ist
ein Ansteig des Basisstroms des Transistors 33« Dies hat wiederum zur Folge, daß die Basisströme und damit auch die Kollektorströme des ersten Transistors 11 und der zweiten Transistoren 12-1^
zunehmen. Durch diese Zunahme der Kollektorströme der zweiten
Transistoren 12-I^ wird der Motorstrom erhöht und die Drehzahl steigt an. Diese Regelung zur Erhöhung der Drehgeschwindigkeit hält an, bis die elektromotorische Gegenkraft auf einen vorgegebenen Wert gekommen ist, wodurch die Basisvorspannungen der
Transistoren 23 und 2k des Differentialverstärkers 3' ins
Gleichgewicht kommen.
Differentialverstärkers 3' bildet, verringert. Die Basisvorspannung wird damit kleiner als die des anderen Transistors 24 und dadurch werden der Kollektorstrom dieses Transistors und
auch der des Transistors 26 verringert. Die weitere Folge ist, daß auch der Kollektorstrom des Transistors 27» der einen Teil der spiegelbildlichen Schaltung 3" bildet, abnimmt, wodurch der Basisstrom des pnp-Transistors 31 reduziert wird. Dadurch wird auch der Emitterstrom des Transistors 31 verringert. Die Folge dieser Verringerung des Emitterstroms des Transistors 31 ist
ein Ansteig des Basisstroms des Transistors 33« Dies hat wiederum zur Folge, daß die Basisströme und damit auch die Kollektorströme des ersten Transistors 11 und der zweiten Transistoren 12-1^
zunehmen. Durch diese Zunahme der Kollektorströme der zweiten
Transistoren 12-I^ wird der Motorstrom erhöht und die Drehzahl steigt an. Diese Regelung zur Erhöhung der Drehgeschwindigkeit hält an, bis die elektromotorische Gegenkraft auf einen vorgegebenen Wert gekommen ist, wodurch die Basisvorspannungen der
Transistoren 23 und 2k des Differentialverstärkers 3' ins
Gleichgewicht kommen.
3* Ursache des hohen maximalen steuernden Drehmoments: Ein
Kennzeichen der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist es, daß das
maximale steuernde Drehmoment des erfindungsgemäß geregelten
Gleichstrommotors sehr hoch ist. Das maximale steuernde Drehmoment ist der Maximalwert des Drehmoments, das die Drehzahl auf einem Nennwert hält. Das maximale steuernde Drehmoment wird
erreicht, wenn das Potential am Anschlußpunkt 22 den kleinsten
maximale steuernde Drehmoment des erfindungsgemäß geregelten
Gleichstrommotors sehr hoch ist. Das maximale steuernde Drehmoment ist der Maximalwert des Drehmoments, das die Drehzahl auf einem Nennwert hält. Das maximale steuernde Drehmoment wird
erreicht, wenn das Potential am Anschlußpunkt 22 den kleinsten
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;/ert annimmt, vv'enn die zweiten Transistoren 12-14 deshalb im
oättigungsbereich arbeiten, wird das maximale steuernde Drehmoment
groß.
In der oben erwähnten, in Figur 2 dargestellten Vorrichtung ist Anschlußpunkt 19 mit dem Kollektoranschluß des Transistors
33 verbunden, wodurch durch den Emitter die Basisströme der Transistoren 11-14 geschickt werden. Da der Bezugsspannungsgenerator
25 für die Spannung Vf einerseits an Anschlußpunkt 19
und andrerseits an den Basisanschluß des Transistors 28 angeschlossen ist (dessen Emitteranschluß an Anschlußpunkt 22
geführt ist), überschreitet das Potential des Anschlußpunkts 19
das des Anschlußpunkts 22 um die Bezugsspannung Vf (V ~
beträgt gewöhnlich etwa 1,2 Volt). Das Kollektorpotential des Transistors 33 ist damit höher als das der zweiten Transistoren
12-14. Der Transistor 33 kann damit Ströme an die Bas isanschlüsse
der zweiten Transistoren 12-14 liefern, die zur Sättigung dieser Transistoren ausreichen,, Durch die Sättigung der
Transistoren 12-14 wird ein starker Motorstrom zugeführt, wie im folgenden noch erläutert.
Das maximale steuernde Drehmoment <(>,,, das bei den oben
erwähnten, zur Sättigung ausreichenden Basisströmen auftritt, ist gegeben durch die folgende Gleichung:
V - E - V
i. T7- cc ao ce /1 \
i. T7- cc ao ce /1 \
max = Kt
α. eo
wobei K4. die Drehmomentkonstante des Gleichstrommotors 9,
V die an Anschlüssen 21 und 30 auftretende Spannung der
Stromquelle, E die elektromotorische Gegenkraft bei der
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IIenndrehsahl, Y die Kollektor-Emitter-Sättigungsspannung der
Transistoren 12-14, R0 den Innenwiderstand des Gleiehstrommotors
und R den äquivalenten Widerstand der Widerstände 16-18 (d.h.. den η-ten Teil des Widerstandswerts jeder der Widerstände
16-18 bei η Widerständen 16-18) bedeuten.
Wenn z.B. in der in i'igur 2 dargestellten Regelanordnung Kt = 96 g.cm/A, Vcc = 4,5 V, Vce = 0,5 V, E30 = 2,45 V, R& = 6,3 S
und R = 1 Ω, so erhält man durch Rechnung für das maximale
steuernde Drehmoment iJL,Q.„:
W - 96· = 20,4 g.om (2)
Dieser Wert des maximalen steuernden Drehmoments ist damit für den speziellen Gleichstrommotor etwa doppelt so groß wie
de^, der mit bekannten Drehzahlreglern erreicht wird.
4. Ursache des hohen anfänglichen Drehmoments: Sin weiteres Kennzeichen der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist es, daß das
anfängliche Drehmoment des von der erfindungsgemäßen Vorrichtung geregelten Gleichstrommotors sehr groß ist. Dieses hohe
anfängliche Drehmoment ergibt sich aus folgenden Gründen.
Wenn in dem beschriebenen, in i'igur 2 dargestellten Beispiel
der Gleichstrommotor blockiert wird, wird die elektromotorische Gegenkraft null und das Potential am Anschlußpunkt 22 nimmt
damit beträchtlich zu. Als Folge dieser Zunahme des Potentials sinkt die Basisvorspannung des Transistors 23 ab, damit nimmt
der Kollektorstrom dieses Transistors ab, der Kollektorstrom
des Transistors 26 nimmt ebenfalls ab, und dementsprechend nimmt der Kollektorstrom des Transistors 27 ab. Als weitere Folge
nimmt der Basisstrom des Transistors 31 ab. Da der gesamte, aus
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ORIGINAL IN&PECTED
dem Emitterstrom des Transistors 31 und dem Basisstrom des
Transistors 33 bestehende Strom von der Konstantstromschaltung 29 gesteuert wird, nimmt der Basisstrom des Transistors 33
infolge der Abnahme des Emitterstroms des Transistors 31 zu. Die
Basisströme des ersten Transistors 11 und der zweiten Transistoren 12-lA nehmen deshalb zu und infolgedessen nimmt das Potential
am Anschlußpunkt 22 ab. Ein starker Motorstrom fließt damit durch Gleichstrommotor 9·
Wenn das Verhältnis des gesamten Kollektorstroms I , der
zweiten Transistoren 12-l4 zum Kollektorstrom I11 des ersten
Transistors 11 K ist, d.h. für K = Ict/Icll, fließt ein Strom,
der der K-te Teil des Stroms durch den Motor ist, durch Anschlußpunkt
19 (und an den Kollektoranschluß des Transistors 11). Es wird hierbei angenommen, daß die Summe der Ströme durch Konstantstromschaltungen
29 und 101, des Kollektorstroms des Transistors 33 und des Stroms durch Bezugsspannungsgenerator 25 vernachlässigbar
klein gegenüber dem Kollektorstrom des ersten Transistors 11 ist. Wenn man deshalb den Widerstandswert des Widerstands 20
gleich K-R wählt (wobei R den Widerstand des Gleichstrommotors
a a
bezeichnet), können die Potentiale der Anschlußpunkte 19 und 22 gleich gemacht werden. Durch diese Wahl werden nämlich die Spannungsabfälle
am Widerstand und am Gleichstrommotor 9 einander gleich. In diesem Fall gleichen aioh die Basispotentiale der
Transistoren 23 und 24 nicht. Das Potential an der Basis des Transistors 2k ist um die vom Bezugsspannungsgenerator 25 erzeugte
Bezugsspannung V _ kleiner als das Potential am Transistor
23· Durch diese Verringerung des Basispotentials des Transistors 2k wird auch das Basispotential des Transistors 28 verringert
und damit wird die Basisvorspannung des Transistors 28 erhöht. Die Folge ist, daß auch der Kollektorstrom dieses Transistors
ansteigt. Da der Kollektorstrom des Transistors 28 durch den Emitterwiderstand 15 des ersten Transistors 11 fließt, wird das
Emitterpotential des ersten Transistors Ii erhöht. Damit ist die Bedingung nicht mehr erfüllt, daß die von Transistoren 11-lk
gebildete spiegelbildliche Schaltung das gleiche Potential aufweist. Der Kollektorstrom des ersten Transistors 11 wird
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damit kleiner als der jedes der zweiten Transistoren 12-lk.
Durch diese Verringerung des Kollektorstroms des Transistors 11 wird der Spannungsabfall am Widerstand 20 kleiner als der am
Gleichstrommotor 9· Dadurch wird das Potential am Anschlußpunkt 19 über das am Anschlußpunkt 22 angehoben. Durch die Erhöhung
des Potentials am Anschlußpunkt 19 wird die Kollektorspannung des Transistors 33 erhöht und damit steigt auch der Kollektorstrom
des Transistors 33· Infolge der Erhöhung des Kollektorstroms des Transistors 33 wird es möglich, den Basisanschlüssen der
Transistoren 12-l4 zur Sättigung dieser Transistoren ausreichende Ströme zuzuführen. Die Kollektorströme der zweiten Transistoren
12-l4, d.h. der durch Gleichstrommotor 9 fließende Strom, nehmen damit beträchtlich zu.
Das anfängliche Drehmoment (j> des Gleichstrommotors 9 ist
gegeben durch die folgende Formel:
V - V
φ « κ- -SS SSL (3).
φ « κ- -SS SSL (3).
3 * R + R
a eo
Nimmt man an, daß die Konstanten der Schaltung die gleichen wie im Falle der mit Formel (2) durchgeführten Berechnungen
sind, so erhält man für das anfängliche Drehmoment <j>
:
♦. - 96· = 52'6 g'Cm ik)'
Dieser Wert ist etwa doppelt so groß wie der üblicherweise mit bekannten Reglern erhaltene Wert.
Figur 3 zeigt den Zusammenhang zwischen Drehmoment und Drehzahl von Gleichstrommotoren. Kurve A zeigt die Drehzahl, bei
Drehzahlregelung mit bekannten Regelvorrichtungen. Kurve B zeigt die Drehzahl im Falle der erfindungsgemäßen Drehzahlregelung.
Auf der Abszissenachse ist das Drehmoment in g*cm aufgetragen; auf der Ordinatenachse ist die Drehgeschwindigkeit in
Umdrehungen pro Minute angegeben. Aus Figur 3 ersieht man, daß das maximale steuernde Drehmoment, oberhalb dessen die Drehzahl
vom Nennwert abweicht, fast doppelt so groß ist wie im Falle der bekannten Vorrichtungen. Das anfängliche Drehmoemnt, d.h. das
Drehmoment am Anstieg der Kurve ist ebenfalls fast doppelt so
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groß wie bei bekannten Vorrichtungen.
In der abgeänderten, in Figur 4 dargestellten Ausführungsform ist die Schaltung einfacher als im Falle der Figur 2 aufgebaut,
doch ähnelt die Betriebsart dem vorhergehenden Ausführungsbeispiel. Der Hauptunterschied ergibt sich daraus, daß ein pnp-Transistor
36 anstelle des npn-Transistors 33 t des zugehörigen
pnp-Transistors 31 und der Konstantstromschaltung 29 verwendet
wird. Ferner ist der in Figur 2 dargestellte Transistor 28 weggelassen. Die Basisanschlüsse der Transistoren 23 und 24 in
Differentialverstärker 3' sind mit dem negativen Anschluß 251 des Bezugsspannungsgenerators 25 bzw. mit Anschlußpunkt 22 verbunden.
Der Basisanschluß des Transistors 36 ist mit den Kollektoranschlüssen der Transistoren 24 und 27 verbunden; der Emitteranschluß
des Transistors 36 ist an Anschlußpunkt 22 geführt.
Bei Drehzahländerungen geht die automatische Regelung der Drehgeschwindigkeit beim Ausführungsbeispiel der Figur 4 in der
folgenden Weise vor sich.
1.' Vorgänge bei Erhöhung der Drehgeschwindigkeit: Wenn die Motorgeschwindigkeit schwankt und die Drehzahl einen vorgegebenen
Wert überschreitet, übersteigt die elektromotorische Gegenkraft einen bestimmten Wert und damit sinkt das Potential am Anschlußpunkt
22 unter einen bestimmten Wert ab. Durch Verringerung des Potentials am Anschlußpunkt 22 steigt die Basisvorspannung des
Transistors 24 im Differentialverstärker 3' an, wodurch die
Basisvorspannung größer als die des anderen Transistors 23 wird. Der Kollektorstrom des Transistors 24 steigt dementsprechend an
und damit nimmt der Kollektorstrom des Transistors 23 ab; dadurch
nehmen auch die Kollektorströme der Transistoren 26 und 27 ab. Die Abnahme des Kollektorstroms des Transistors 27 führt zu
einer Verringerung des Basisstroms des Transistors 36, wodurch
sein Kollektorstrom abnimmt und deshalb auch die Basisströme des ersten Transistors 11 und der zweiten Transistoren 12-l4 verkleinert
werden. Durch diese Abnahme der Basisströme nehmen die Kollektorströme der zweiten Transistoren 12-l4 ab. Dies hat eine
Verringerung des Motorgeschwindigkeit zur Folge. Diese Steuerwirkung zur Verringerung der Drehgeschwindigkeit hält an, bis
die elektromotorische Gegenkraft wieder den vorgegebenen Wert erreicht hat. Dann kommen die Basisvorspannungen der Transistoren
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23 und 24 des Differentialverstärkers 3' ins Gleichgewicht.
2.' Vorgänge bei Erhöhung der Drehgeschwindigkeit: Wenn die Motorgeschwindigkeit schwankt und unter einen vorgegebenen Wert
abfällt, sinkt die elektromotorische Gegenkraft unter einen bestimmten Wert ab und damit steigt das Potential am Anschlußpunkt
22 über einen vorgegebenen Wert an- Durch diesen Anstieg des Potentials am Anschlußpunkt 22 sinkt die Basisvorspannung
des Transistors 2k des Differentialverstärkers 3' ab, wodurch die
Basisvorspannung kleiner als die des anderen Transistors 23 wird.
Der Kollektorstrom des Transistors 2k nimmt deshalb ab und der Kollektorstrom des Transistors 23 nimmt deshalb zu. Dadurch
steigen die Kollektorströme der Transistoren 26 und 27 an. Der Anstieg des Kollektorstroms des Transistors 27 hat zur Folge, daß
der Basisstrom des Transistors 36 ansteigt, wodurch sein Kollektorstrom
zunimmt und damit auch die Basisströme des ersten Transistors 11 und der zweiten Transistoren 12-lk zunehmen.
Durch diese Zunahme der Basisströme nehmen auch die Kollektorströme der zweiten Transistoren 12-lk zu. Dies hat eine Erhöhung
der Drehzahl des Motors zur Folge.
3. Ursache des hohen anfänglichen Drehmoments: Wenn im Falle des in Figur k dargestellten Ausführungsbeispiels der Gleichstrommotor
blockiert wird, sinkt die elektromotorische Gegenkraft des Motors auf den Wert null ab. Die Folge ist, daß das Potential am
Anschlußpunkt 22 beträchtlich ansteigt. Dieser Anstieg des Potentials hat zur Folge, daß die Basisvorspannung des Transistors 2k
abnimmt und daß deshalb sein Kollektorstrom auch abnimmt. Der Kollektorstrom des Transistors 23 und damit auch die Kollektorströme
der Transistoren 26 und 27 steigen dementsprechend an. Der Basisstrom des Transistors 36, der auch in den Kollektoranschluß
des Transistors 27 fließt, steigt deshalb an. Der Strom I der Konstantstromschaltung 38 ist so eingestellt, daß durch diesen
Strom eine Sättigung des Transistors 36 hervorgerufen wird. Wenn
die Basisströme des ersten Transistors 11 und der zweiten Transistoren 12-14 durch die Sättigung des Transistors 36 zunehmen,
nehmen auch die Kollektorströme der Transistoren 11-14 zu. ■Das Potential am Anschlußpunkt 22 sinkt dementsprechend ab,
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wodurch dem Gleichstrommotor 9 ein starker Strom eingespeist wird.
Nimmt man an, daß das Verhältnis des Gesamtwerts I , der
Kollektorströme der zweiten Transistoren 12-l4 zum Wert des Kollektorstroms
I11 des ersten Transistors 11 gleich K ist, d.h., daß
K=I /I , so fließt ein Strom, der etwa den K-ten Bruchteil des Motorstroms ausmacht, durch Anschlußpunkt 19 und damit auch
in den Kollektoranschluß des Transistors 11. (Es wird angenommen,
daß der Gesamtstrom durch Konstantstromschaltung 38 und der Strom
durch Bezugsspannungsgenerator 25 gegenüber dem Kollektorstrom des ersten Transistors Ii vernachlässigbar klein sind.) Wählt man
daher für den Widerstand 20 den Wert K-R (wobei R den Widerstand
a a
des Gleichstrommotors bedeutet), so können die Potentiale an den
Anschlußpunkten 19 und 22 gleich gemacht werden. Der Spannungsabfall am Widerstand ist damit gleich dem Spannungsabfall am Gleichstrommotor
9· In diesem Fall sind die Spannungen an den Basisanschlüssen der Transistoren 23 und 2k nicht einander gleich. Das
Potential am Basisanschluß des Transistors 23 sinkt unter das des Transistors 2k um den Wert der Bezugsspannung V ab, die vom
Generator 25 erzeugt wird. Durch diese Abnahme der Basisspannung des Transistors 23 wird Differentialverstärker 3' so ausgesteuert,
daß er Transistor 23 einschaltet und eingeschaltet hält und Transistor 2k abschaltet und abgeschaltet hält.
Wenn bei einer Blockierung des Motors V die Spannung zwischen
Anschlullpunkt 22 und Klemme 30» V die an den Anschlüssen 21
C C
und 30 für die Stromversorgung angelegte Spannung, R den äqui-
GO
valenten Widerstand der Widerstände 16-18 (d.h. den η-ten Teil
des Widerstandswerts jeder der Widerstände I6-I8 bei η Widerständen
16-18), R den Innenwiderstand des Gleichstrommotors,
EL
V die Basis-Emitter-Spannung der zweiten Transistoren 12-lk
(wenn sie alle eingeschaltet sind), und V „c die Kollektor-
ces3o
Emitter-Spannung im Sättigungszustand des Transistors 36 bedeuten,
so ist die Spannung VT durch die folgende Formel gegeben:
V -V1
ν +V
ben c
R eo ben ces3o
eo a cc eo a L ben ces3o J
903821/0560
— ι ( —
Löst man Gleichung (H) na-jh V, auf, so erhält man:
7L^e(A + 1) = ^eO7V7OC ~ Vcen f 7ees36 (6)
Durch eine Umordnung erhält r.an für die Spannung zwischen Anschlußpunkt 22 und Klemme 30:
(R /r )«V + Y, + V
rT _ K eo ay cc oen cea^b (.7\
rT _ K eo ay cc oen cea^b (.7\
ITimmt man für ein Beispiel in der in Figur 4 dargestellten
Schaltung an, daß Ra = 6,3 Ω, R80 = 1,0 Ω, Vben = 0,8 V,
V ^g = 0,1 V und V = 4,5 V, so erhält man für die Spannung
Ij1 an den Punkten 22 und 33:
ν - (1.0/6,3)'4,,5 + 0,6 + 0,1 _
VL * 11,0/6,3) " '^
Der Strom Ιχ zum Zeitpunkt der Blockierung beträgt:
I1- ^i O)
Setzt man die Werte Vcc = 4,5 V, VL = 1,39 V und Ha =6,3 ί*
in Gleichung (9) ein, so erhält man den hohen Blockierungsstrom I1 = 0,494 A.
Das anfängliche Drehmoment (j> des Gleichstrommotors erhält
man durch Multiplikation der Drehmomentkonstanten K^ = 96
g.cm/A mit dem Blockierungsstrom It:
Setzt man Ιχ = 0,494 A in Gleichung (10) ein, so erhält man
für das anfängliche Drehmoment:
<j>s = 96-0,494 = 47,4 g-cin.
Dieses anfängliche Drehmoment von 47,4 g«cm ist viel größer
als der Durchschnittswert von etwa 20 g-crn, der mit bekannten
Drehzahlreglern erreicht werden kann.
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Bei der praktischen Ausführung der in Figur k dargestellten
Schaltung in Form einer integrierten Schaltung mit Halbleitern muß der pnp-Transistor 3° als bekannter vertikal angeordneter
Transistor ausgebildet werden, d.h. Kollektoranschluß, Basisanschluß und Emitteranschluß folgen einander in Vertikalrichtung
in Bezug auf die Hauptfläche des Halbleiter-Trägerplättchens. Man erhält dann eine brauchbare Sättigung der zweiten Transistoren
12-i4 und damit einen ausreichenden Blockierungsstrom für
den Gleichstrommotor. Die vertikale Ausführungsform ist für den
speziellen Zweck aus folgenden Gründen notwendig. Um einen hohen Motorstrom zu erzielen, müssen die Basisströme der zweiten
Transistoren 12-14 sehr groß sein, was bedeutet, daß auch der Kollektorstrom des Transistors 3° groß sein muß. Nimmt man als
Beispiel an, daß für h__ der zweiten Transistoren 12-l4 ein
Γ CrS
Wert von 50 oder mehr vorliegt und daß der gesamte Motorstrom
im gesperrten Zustand Of494 A beträgt, so muß der gesamte Basisstrom
der Transistoren 12-l4, der durch I./h.,,-, gegeben ist, etwa
9,9 mA betragen. Um derartig hohe Basisströme für die Transistoren 12-14 zu erreichen, muß der Kollektor- oder Emitterstrom
des Transistors 36 9,9/hpp , mA betragen, wobei h^ /- den Stromverstarkungsfaktor
des Transistors 36 bezeichnet. In einer bekannten seitlichen Ausführungsform von pnp-Transistoren, die
einen hohen Stromverstarkungsfaktor haben, muß ein starker Basisstrom
dem Transistor 36 vom Differentialverstärker zugeführt
werden, was große Schwierigkeiten mit sich bringt. Wenn dagegen ein vertikaler pnp-Transistor, der im allgemeinen einen ausreichend
hohen Stromverstärkungsfaktor hat, verwendet wird, kann der
Basisstrom des Transistors 36 beträchtlich kleiner sein.
Bei Verwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Drehzahlregelung
eines Plattenspielers ergibt sich als Vorteil der rasche Anstieg der Drehgeschwindigkeit, da bei dieser Vorrichtung
das maximale steuernde Drehmoment sehr groß ist.
Verwendet man die erfindungsgemäße Vorrichtung in einem
Tonbandgerät, so ergibt sich als Vorteil, daß sogar eine beträchtliche Erhöhung der Belastung durch starke Reibung des
Bandes nicht zur Blockierung des Motors führt, da das anfängliche Drehmoment sehr hoch ist.
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Leerseite
Claims (4)
1.) Vorrichtung zur Drehzahlregelung eines Gleichstrommo- » s
tors, gekennzeichnet durch einen ersten Transistor (ll), dessen
Kollektoranschluß über einen ersten Widerstand (20) mit einem ersten Ende (21) einer Stromquelle und dessen Emitteranschluß
über einen zweiten Widerstand (15) mit dem zweiten Ende (30)
einer Stromquelle verbunden ist; einen oder mehrere zweite Transistoren (12-1*1) des gleichen Leitfähigkeitstyps wie der
erste Transistor (ll), deren Basisanschlüsse mit dem Basisanschluß des ersten Transistors (ll) verbunden sind, deren Kollektoranschlüsse
über den Gleichstrommotor (9) mit dem ersten Ende (2l) der Stromquelle verbunden sind, und deren Emitteranschlüsse
durch dritte Widerstände (16-I8) mit dem zweiten Ende der Strom
quelle verbunden sind; einen Differentialverstärker (3') mit
einem Paar von Transistoren (23j 24) des gleichen Leitfähigkeitstyps,
deren Emitteranschlüsse zusammengeschaltet sind und
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über eine Konstantstromschaltung (lOl) mit dem Kollektoranschluß
des ersten Transistors (ll) verbunden sind, wobei der
Basisanschluß eines ersten des Paares von Transistoren (23» 2-1)
mit den Kollektoranschlüssen der zweiten Transistoren (l2-lA)
verbunden ist und der Basisanschluß des zweiten des Paares von Transistoren (23, 24) über eine Bezugsspannungsquelle (2.5) mit
dem Kollektoranschluß des ersten Transistors (ll) verbunden ist; einen dritten Transistor (33)» dessen Emitteranschluß mit den
üasisanschlüssen des ersten Transistors (ll) und der zweiten
Transistoren (12-1.4) verbunden ist, um die Basisströme bei
Veränderungen des Kollektorstroms einer der Transistoren (23 oder 24) des Differentialverstärkers (3') zu steuern; und einen
veränderlichen Widerstand (34) zur Drehzahlregelung, der zwischen
den Kollektoranschluß des ersten Transistors (ll) und die Kollektoranschlüsse der zweiten Transistoren (l2-l4) geschaltet ist.
2. Vorrichtung zur Drehzahlregelung eines Gleichstrommotors nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zweiten Transistoren
(l2-l4) aus einer bestimmten Anzahl parallel geschalteter Transistoren mit gleichen Kennlinien bestehen, deren
Kollektoranschlüsse zusammengeschaltet sind und deren Emitteranschlüsse über gleichartige Emitterwiderstände zusammengeschaltet
und mit dem zweiten Ende der Stromquelle verbunden sind.
3· Vorrichtung zur Drehzahlregelung eines Gleichstrommotors
nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Widerstand (20) und der veränderliche Widerstand (34) zur Drehzahlregelung
äußere Widerstände sind, während der Rest der Schaltung aus einer monolithischen integrierten Halbleiterschaltung
besteht, und daß die äußeren Widerstände an bestimmte Anschlüsse dieser monolithischen integrierten Halbleiterschaltung angeschlossen
sind.
4. Vorrichtung zur Drehzahlregelung eines Gleichstrommotors nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kollektoranschlüsse
der Transistoren des Differentialverstärkers (3*) mit entsprechenden Kollektoranschlüssen anderer Transistoren (26,
27) verbunden sind, die so geschaltet sind, daß sie eine
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spiegelbildliche Schaltung zum Differentialverstärker bilden.
5· Vorrichtung zur Drehzahlregelung eines Gleichstrommotors
nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß für das Verhältnis K des Gesamtwerts I , der Kollektorströme der
et
zweiten Transistoren (12-14) zum Kollektorstrom I .. des
eil
ersten Transistors (ll) (K = I /I ) der Widerstandswert des
ersten Widerstands K mal so groß wie der Innenwiderstand des Gleichstrommotors (9) gewählt wird.
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