DE1487356C - Verfahren fur einen richtungsabhangi gen Gleichstromverstärker mit einem in allen vier Quadranten des Strom Spannungs Kennlinienfeldes arbeitenden Zweipol und Schaltungsanordnung zur Durchfuhrung des Verfahrens - Google Patents

Description

Durch die deutsche Patentschrift 1 153 078 und die Zeitschrift »Elektronik«, 1966, Heft 7, S. 226, Abschn. 4.4 ist ein Stromverstärker bekanntgeworden, der über die vier Quadranten des Strom-Spannungsdiagramms arbeitet. Der Verstärker nach der Zeitschrift »Elektronik« ist vorgeschlagen in der deutschen Patentschrift 1 268 682 und dort ausführlich beschrieben.

Die Endstufe des Verstärkers nach diesen Literaturstellen besteht aus wenigstens zwei in Gegentakt arbeitenden Leistungs-Verstärkerelementen in Form von Elektronenröhren oder Transistoren, die als Kathoden- oder Emitterfolger arbeiten, wobei ein Zweipol (Motor) zwischen den Kathoden oder Emittern der Verstärkerelemente angeordnet ist. Die Verstärkerelemente wirken als Stellglieder und schalten entsprechend ihrer Steuerung abwechselnd die Spannung zweier Gleichspannungsquellen an den Zweipol.

Ist der Zweipol ein Motor und arbeitet dieser als Generator (Bremsung), so wird der Verstärker in den generatorischen Quadranten betrieben. Der Verstärker muß dann die von außen kommende Leistung aufnehmen können. An den Verstärkerelementen wirkt in diesem Fall nicht nur die Spannung der jeweils zugeordneten Quelle, sondern zusätzlich auch noch die vom Motor erzeugte EMK. Bei der Bremsung addieren sich die Spannung der gerade stromabgebenden Quelle und die EMK des Motors und liegen am gerade wirkenden Verstärkerelement an. Auch bei der Beschleunigung des Motors liegt an dem dann nicht wirksamen Verstärkerelement die . Reihenschaltung der Spannungen der beiden Gleichspannungsquellen an. Das Verstärkerelement ist ^zwar-gerade nichtleitend, trotzdem muß es für die ah ihm auftretende doppelte Spannung bemessen sein.

,Die Verstärkerelemente müssen aus den vorstehend genannten Gründen also spannungs- und leistungsmäßig überbemessen werden, ohne daß sich dadurch ein Vorteil ergibt.

Durch die Erfindung werden diese Nachteile in einfacher Weise vermieden. ■■■'■ -

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren für einen richtungsabhängigen Gleichstromverstärker mit Verstärkerelementen (Transistoren, Elektronenröhren) als Stellglieder für einen an den Verstärker angeschlossenen und in allen vier Quadranten des Strom-Spannungs-Kerinlinienfeldes arbeitenden Zweipol. Die Erfindung besteht darin, daß während des Arbeitens des Zweipols in den generatorischen Quadranten die Speisespannung für die Verstärkerelemente selbsttätig abgeschaltet wird und nur die EMK des Zweipols an den Verstärkerelementen wirkt. Einer weiteren Ausbildung entsprechend ist als Abschaltmittel ein Schaltelement verwendet, das in Abhängigkeit von der EMK des Zweipols gesteuert ist. Zweckmäßig ist das Schaltelement im Speisestromkreis der Verstärkerelemente angeordnet und von einem übler dem Zweipol angeordneten Relais gesteuerte itEiner weiteren Ausbildung entsprechend erfolgt die Steuerung des Schaltelementes durch ein elektronisches Relais, das von der EMK des Zweipols gesteuert ist.

Durch die Erfindung wird also während des Arbeitens des Zweipols (Motor) in den generatorischen Quadranten die Spannung für den von seiner Quelle und der EMK des Motors beaufschlagten Stellglied-Transistor verringert, indem seine Quelle abgeschaltet wird. Als Schaltelement kann ein Thyristor, ein Transistor oder ein Schütz verwendet werden.

Die Erfindung wird nachstehend an Hand von in der Zeichnung schematisch dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. In den Figuren tragen gleiche Elemente gleiche Bezugszeichen.
Die Fig. 1 zeigt eine Gegentaktstufe mit zwei Leistungstransistoren 1, 2 als Emitterfolger, die Stellglieder für einen Motor 3 sind, der zwischen den Emittern der Transistoren angeordnet ist und der entsprechend der gegenläufigen Steuerung der Transistoren an ihren Basen entweder durch die Gleichspannungsquelle 4 oder 5 betrieben wird. Von dieser ■ Grundschaltung machen auch die in der Beschreibungseinleitung genannten Verstärker Gebrauch.
Gemäß der Erfindung wird bei Bremsung des Motors 3 die dem dann leitenden Transistor 1 oder 2 zugeordnete Quelle 4 oder 5 abgeschaltet. Hierfür ist beispielsweise je ein Thyristor 6, 7 vorgesehen, wobei der Thyristor 6 in Reihe mit der Quelle 4 und der Thyristor 7 in Reihe mit der Quelle 5 geschaltet ist.

Die Zündelektrode des Thyristors 6 liegt über einen Ruhekontakt Sr eines Relais 8 und einen Widerstand 9 am positiven Pol der zugeordneten Quelle 4. Die Zündelektrode des Thyristors 7 ist ebenfalls über einen Ruhekontakt 1Or eines Relais 10 und einen Widerstand 11 an den positiven Pol der zugeordneten Quelle 5 geführt. Durch die beschriebenen Verbindungen erhalten die Thyristoren 6, 7 den notwendigen Zündstrom. Die Relais 8, 10 sind über je eine Diode 12,13 parallel zu den Mo torklemmen A, A' geschaltet. Die Reihenschaltung von Quelle 4 und Thyristor 6 und die Reihenschaltung von Quelle 5 und Thyristor 7 -sind je von einer Diode 14 und 15 überbrückt.

Nachstehend wird die Wirkungsweise der Ausbildung nach der F i g. 1 näher erläutert.

Es sei angenommen, daß der Motor 3 zuerst in einer Laufrichtung beschleunigt werden soll, so daß der Verstärker Leistung abgeben muß. Der Beschleunigungs- bzw. Laststrom fließt in dem von der Quelle 5, dem Stellglied-Transistor 2, dem Motor 3 und dem Thyristor 7 gebildeten Kreis 6. Der Thyristor 7 muß also gezündet sein. Der Transistor 2 wird • von -einer Basisspannung solcher Polarität gesteuert, daß er leitend ist.

Der Thyristor 7 ist über den geschlossenen Ruhekontakt 1Or gezündet. An den Klemmen A, A' des Motors 3 wirkt damit die Spannung der Quelle 5. Die Klemme A' hat dabei gegenüber der Klemme A positives Potential. Durch die Polung der den Relais 8,10 zugeordneten Dioden 12,13 wird das Relais 8 erregt, das Relais 10 bleibt unbeeinflußt. Der Ruhekontakt 1Or dieses Relais 10 bleibt geschlossen, so daß — wie erforderlich — der Thyristor 7 gezündet bleibt.

Durch die Erreguiig des Relais 8 öffnet dessen zugeordneter Ruhekontakt 8 h, so daß der Zündstrom für den Thyristor 6 des Kreises 17, der in diesem .-: Steuerzustand der Anordnung nicht wirksam ist, unterbrochen wird und der Thyristor 6 löscht. Damit ist die Quelle 4 aus dem Kreis 17 ausgeschaltet und die bei den in der Beschreibungseinleitung zugeführten Verstärkern bestehende Reihenschaltung der Quellen 4, 5, die eine Spannung von 2 U ergibt und die bei diesen Verstärkern an dem dem Transistor 1 entsprechenden Verstärkerelement liegt, ist unterbrochen. Das diesem Transistor 1 entsprechende Verstärkerelement wäre zwar nichtleitend (wie der Transistor 1 auch), trotzdem müßte das Verstärker-

element spannungsmäßig für eine Spannung 2 U bemessen sein.

Am Emitter und Kollektor des Transistors 1 wirkt durch die erfindungsgemäße Ausbildung nur noch die an den Klemmen A, A' liegende Spannung (Diode 14 ist leitend), die wiederum nicht größer als die Spannung der Quelle 5 ist.

Erfolgt nunmehr eine Bremsung des Motors 3, so muß der Verstärker Leistung aufnehmen. Zur Bremsung wird der Transistor 1 herangezogen, der durch Beeinflussung seiner Basis in den leitenden Zustand versetzt wird. Auf Grund der Umsteuerung der Transistoren 1, 2 entsteht an den Klemmen A, A' eine von dem Motor 3 erzeugte Spannung, die sich zur Spannung der Quelle 4 addiert.

Bei den in der Beschreibungseinleitung genannten Verstärkern bedeutet dies eine Erhöhung der Verlustleistung für das entsprechend dem Transistor 1 steuernde Verstärkerelement, da dieses sowohl von der Spannung der der Quelle 4 entsprechenden als auch von der damit in Reihe geschalteten Spannung des Motors 3 beaufschlagt wird.

Wie in der Beschreibungseinleitung angedeutet, müssen die den Transistoren 1, 2 entsprechenden Verstärkerelemente aus Sicherheitsgründen spannungs- und leistungsmäßig überbemessen werden.

Durch die Erfindung ist bei der Bremsung des Motors 3 die Quelle 4 des Kreises 17 ausgeschaltet.

Das bereits bei der Beschleunigung des Motors 3 erregte Relais 8 bleibt auch bei der nunmehrigen Bremsung des Motors 3 durch die dadurch an den Klemmen A, A' auftretende Spannung weiter erregt. Der Ruhekontakt 8 r des Relais 8 bleibt weiter offen und der Thyristor 6 weiter gelöscht. Damit ist die Quelle 4 in diesem Steuerzustand abgeschaltet, und am Emitter und Kollektor des leitenden Transistor 1 wirkt über die leitende Diode 14 nur die Spannung des Motors 3.

Die Ausbildung nach der F i g. 1 kann auch leicht so abgewandelt werden, das an Stelle von Thyristoren Schütze zur Abschaltung der Quellen 4,5 verwendet werden. Diese Schütze werden dann ebenfalls in Abhängigkeit von der an den Klemmen A, A' auftretenden Spannung gesteuert.

An Stelle der Relais 8, 10 und zugeordneten Dioden 12, 13 können auch zwei polarisierte Relais verwendet werden.

Die Ausbildung nach der F i g. 2 ist insbesondere in Verbindung mit schnellen Antrieben geeignet, bei denen also Motore mit relativ kleiner Zeitkonstante eingesetzt werden.

Die in der F i g. 1 verwendeten Relais sind durch elektronische Relais 18,19 ersetzt. Jedes Relais 18, 19 besteht im wesentlichen aus zwei gleichstromgekoppelten Transistoren 20, 21 und 22, 23, die zwischen den "Klemmen A, A' des Motors 3 und dem jeweiligen Thyristor 6 oder 7 angeordnet sind.

Der Eingangskreis der beiden Relais 18, 19 ist durch die Transistoren 20 bzw. 22 gebildet. Über den Klemmen A, A' ist jeweils eine Reihenschaltung eines Widerstandes 24 bzw. 25 mit einer Diode 26 bzw. 27 angeordnet. Die Widerstände 24, 25 begrenzen den Basisstrom der Transistoren 20, 22. Mit ihnen kann die Empfindlichkeit des elektronischen Relais eingestellt werden. Die Dioden 26, 27 wirken als Schutz für die Transistoren 20, 22.

Wechselt die Spannung an den Klemmend, A' ihre Polarität, dann wird — wenn keine Dioden vorhanden sind — die Basis-Emitter-Strecke der Transitoren mit der gesamten an den Klemmen A_y A' liegenden Spannung beaufschlagt, die diese Strecke jedoch nicht verträgt. Durch Anwendung der Dioden wird die Basis-Emitterspannung in Sperrichtung auf zulässige Werte begrenzt.

Die Dioden 28, 29 und 30, 31 sind ebenfalls Schutzdioden für die Transistoren 20,21 bzw. 22,23. Bei einem Wechsel der Spannung an den Klem- men A, A' (Beschleunigen, Bremsen) wird der Transistor 1 spannungsmäßig in Sperrichtung belastet, wenn der Spannungsquelle 5 Strom entnommen wird (Transistor 2 leitend). Über die Zündstrecke des Thyristors 6, den Transistor 21 und den Transistor 20 kann dann ein unerwünschter hoher Strom fließen, wenn über dieser Strecke eine entsprechende Polarität auftritt. Um dies zu verhindern, und damit die Transistoren 20, 21 zu schützen, sind die Dioden 28, 29 vorgesehen. Gleiches gilt für die entsprechenden Elemente des Kreises 16.

Die Kondensatoren 32 bzw. 33 haben die Aufgabe, etwa auftretende Spanmingsspitzen von den Thyristoren 6, 7 fernzuhalten, um ein unerwünschtes Zünden derselben zu vermeiden.

Die Batterien 34, 35, die zweckmäßig Zenerdioden sind, ergeben die Bezugsspannung für die Zündspannung der Thyristoren 6, 7. Durch Wahl der Spannung der Batterien 34, 35 kann bestimmt werden, wann die Thyristoren 6, 7 zünden.

Nachstehend wird die Wirkungsweise der Anordnung nach der Fig. 2 näher erläutert. Wie bei der Anordnung nach der Fig. 1 sei angenommen, daß der Motor 3 erst beschleunigt werden soll, und zwar mit Hilfe des Kreises 16.

Der Transistor 2 wird zu diesem Zweck an seiner Basis so gesteuert, daß er leitend ist und der Transistor 1 so, daß er nichtleitend ist. Der Thyristor 7 ist gezündet und der Thyristor 6 gelöscht. Erfolgt nun die Bremsung des Motors 3, so muß verhütet werden, daß der Thyristor 6 zündet. Beim Bremsen kehrt sich die Stromrichtung um. Der Zündstrom dieses Thyristors 6 wird durch das aus den Transistoren 20, 21 bestehende elektronische Relais 18 in dieser Steuerphase praktisch zu Null gemacht. Die an den Klemmen A, A' auftretende Spannung steuert während des Bremsbetriebs den Transistor 20 so, daß er leitend wird. Das Potential am Kollektorwiderstand 36 wird so weit negativ, daß der nachgeschaltete Transistor 21 nichtleitend wird und somit die Zündelektrode des Thyristors 6 keinen Zündstrom erhält. Am Transistor 1 wirkt damit über die leitende Diode 14 nur die vom Motor 3 erzeugte Spannung.

Die Erfindung ist auch bei an sich bekannten

richtungsabhängigen Gleichstromverstärkern in Brükkenschaltung anwendbar.

Die F i g. 3 zeigt eine'"derartige Schaltung. Vier Transistoren 50, 51, 52 und 53 bilden eine Brückenschaltung, die von'einer Gleichspannungsquelle 54 gespeist wird. Ein Motor 55 ist an die Verbindungspunkte der Transistoren 50, 52 und 51, 53 geschaltet. Die Kollektoren der Transistoren 50, 51 sind über Ruhekontakte 56 r, 57 r zweier Relais 56, 57 mit dem positiven Pol der Quelle 54 verbunden. Die Emitter der Transistoren 52, 53 sind an den negativen Pol der Quelle 54 geführt.

Sind die Relais 56, 57 nicht erregt, so sind die Kontakte 56 r, SIr geschlossen, und es ergibt sich die an sich bekannte Brückenschaltung. Die Span-

nung_ran den Klemmen/1, A' des Motors 55 ist Null. Parallel zu den Transistoren 50, 52 und 51, 53 ist je eine Diode 58, 59 angeordnet. In Reihe mit jedem Relais 56, 57 ist eine Diode 60, 61 angeordnet.

Die Wirkungsweise der Anordnung ist folgende: Soll der Verstärker an den Motor 55 Leistung abgeben, so werden die Transistoren 50, 53 so gesteuert, daß sie leitend und die Transistoren 51, 52 so, daß sie nichtleitend sind. An den Klemmen A, A' des Motors 55 tritt eine Spannung bestimmter Polarität auf. Diese Spannung wirkt auch an den Reihenschaltungen von Relais 56, Diode 60 und Relais 57, Diode 61. Durch die Polung der Diode 60 bleibt das Relais 56 unerregt und dessen Ruhekontakt 56 r geschlossen. Die Diode 61 ist leitend geworden, und somit ist das Relais 57 erregt. Der Transistor 51 ist damit über den offenen Ruhekontakt 5.7 r des Relais 57 von der Spannungsquelle 54 abgeschaltet. Der Motor 53 wird über die beiden leitenden Transistoren 50, 53 und über den geschlossenen Ruhekontakt 56 r des nichterregten Relais 56 von der Quelle 54 gespeist.
' Wird der Motor 55 gebremst, wobei die Transistoren 51, 52 so gesteuert werden, daß sie leitend und die Transistoren 50, 53 so, daß diese nichtleitend sind, so erzeugt der Motor 55 an den Klemmen A, A' eine Spannung gleicher Polarität. Der Schaltzustand der Relais 56, 57 bleibt damit unverändert. Der Ruhekontakt 56 r bleibt geschlossen, was keinen Einfluß auf die Anordnung hat, und der Ruhekontakt 57 r bleibt ebenfalls nach wie vor offen. Das bedeutet,, daß bei Bremsung des Motors 55 die Quelle 54 über den offenen Kontakt 57 r von den leitenden und damit wirksamen Transistoren 51, 52 abgeschaltet ist, und an diesen liegt über die nunmehr leitende DiÖde.59 nur die EMK des Motors 55. Wird diese Null, so fällt das Relais 57 ab. Beide Ruhekontakte 56 r, 57 /· sind dann wieder geschlossen, und die normale Brückenschaltung ist wieder hergestellt.

Soll der Motor 55 in seiner anderen Laufrichtung beschleunigt werden, so werden die Transistoren 51, 52 leitend gesteuert. Damit kehrt sich die Spannung an den Klemmen A, A' des Motors 55 um. Entsprechend wird das Relais 56 erregt und der Kontakt 56 r geöffnet. Zur Bremsung des Motors 55 werden die Transistoren 50, 53 leitend gesteuert. Am Zustand der Relais 56, 57 ändert sich nichts, so daß die Quelle 54 von diesen Transistoren 50, 53 abgeschaltet ist (Transistor 51 ist gesperrt) und an diesen somit nur die Motorspannung wirkt. An Stelle der Ruhekontakte 56 r, 57 r können sinngemäß auch Thyristoren oder Schalttransistoren verwendet werden.

Claims (5)

Patentansprüche:

1. Verfahren für einen richtungsabhängigen Gleichstromverstärker mit Verstärkerelementen (Transistoren, Elektronenröhren) als Stellglieder für einen an den Verstärker angeschlossenen und in allen vier Quadranten des Strom-Spannungs-Kennlinienfeldes arbeitenden Zweipol, dadurch gekennzeichnet, daß während des Arbeitens des Zweipols in den generatorischen Quadranten die Speisespannung für die Verstärkerelemente selbsttätig abgeschaltet wird und nur die EMK des Zweipols an den Verstärkerelementen wirkt.

2. Schaltungsanordnung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Abschaltmittel ein Schaltelement verwendet ist, das in Abhängigkeit von der EMK des Zweipols gesteuert ist. .·;

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Schaltelement im

. Speisestromkreis der Verstärkerelemente angeordnet ist und von einem über dem Zweipol angeordneten Relais gesteuert ist.

4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerung; des Schaltelementes durch ein elektronisches Relais erfolgt, das von der EMK des Zweipols gesteuert ist.

5. Schaltungsanordnung nach Anspruch 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Schaltelement, ein Thyristor, Transistor oder Schütz ist.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen