DE2100929A1

DE2100929A1 - Steuerschaltung zur Versorgung eines induktiven Verbrauchers

Info

Publication number: DE2100929A1
Application number: DE19712100929
Authority: DE
Inventors: Wolfgang 7000 Stuttgart; Schick Jürgen Dipl.-Ing. 7140 Ludwigsburg Dieter
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1971-01-11
Filing date: 1971-01-11
Publication date: 1972-07-20
Also published as: GB1374044A; CH535511A; FR2122125A5; AT312744B

Description

R. 164
4.1.1971 Sk/Sz

Anlage zur
Patentanmeldung

ROBERT BOSCH GMBH, Stuttgart

Steuerschaltung; zur Versorgung eines induktiven Verbrauchers

Die Erfindung betrifft eine Steuerschaltung zur Versorgung eines induktiven Verbrauchers mit impulsförmigem Gleichstrom aus einer Gleichstromquelle, mit einer Transistorschaltstufe, die den Gleichstrom führt und über eine Zwischenstufe von einem astabilen Multivibrator angesteuert wird.

Solche Steuerschaltungen sind in größerer Zahl bekannt. Transistors cha].tfituf en sind besonders zur Ansteuerung von Verbrauchern mit kleinerer Leistung (bis zu einigen kV/) verwendbar. Sie haben gegenüber den bei Verbrauchern mit größerer Leistung verwendeten Thyristor.¹·; ehalt stuf en den Vorteil, daß keine besondere Zündimpulsstuffc und keine Löschstufe erforderlich ist.

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Transistorschaltstufen müssen allerdings mit sehr steilflankigen Rechteck;::, puls en angesteuert werden, damit die Transistoren möglichst se.: η·_»11 vom ausgeschalteten in den eingeschalteten Zustand gebracht werden. Bei allmählichem Umschalten fällt während des Umschaltvorgangs im Transistor eine zu hohe Verlustleistung an, so daß der Transistor unter Umständen thermisch zerstört werden kann.

Bei einer Steuerschaltung zur Versorgung eines induktiven Verbrauchers mit impulsförmigem Gleichstrom muß weiterhin das Tastverhältnis der Gleichstromimpulse, d. h. das Verhältnis von Einschaltzeit zu Aussehaltζeit, in weiten Grenzen verändert werden können. Es ist schon eine Steuerschaltung bekannt, die sowohl die Forderung nach steilflankigen Steuerimpulsen für die Transistorschaltstufe als auch die Forderung nach weitem Variationsbereich des Tastverhältnisses der Steuerimpulse erfüllt.

Bei dieser bekannten Steuerschaltung ist ein astabiler Multivibrator vorgesehen, der zusammen mit einer nachgeschalteten Gegentaktverstärkerstufe Sägezahnimpulse von variabler Frequenz erzeugt. Die Zwischenstufe enthält unter anderem einen Schmitt-Trigger mit einstellbarer Schaltschwelle, der aus den Sägezahnimpulsen steilflankige Rechteckimpulse formt und über .einen Transistorverstärker die Transistorschaltstufe ansteuert.

Demgegenüber lag der Erfindung die Aufgabe zugrunde, die beiden obengenannten Forderungen mit wesentlich kleinerem Schaltungsaufwand zu e.rfüllen und so eine Steuerschaltung zu" schaffen, die sehr billig herstellbar ist und damit auch wirtschaftlich bei Verbrauchern kleinerer Leistung eingesetzt werden kann, für di/e bisher noch die Regelung der Stromstärke über Vorwidersjcände üblich ist. Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung in

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"besonders einfacher Weise dadurch gelöst, daß als astabiler Multivibrator ein Operationsverstärker mit einem nicht invertierenden und einem invertierenden Eingang vorgesehen ist und daß als' Zwischenstufe ein Schalttransistor vorgesehen ist. Die Anwendung eines Operationsverstärkers als astabiler Multivibrator macht es außerdem möglich, die Transistorschaltstufe auf sehr einfache Weise vor zu großem Verbraucherstrom zu schützen. Eine derartige Überstrom-Schutzschaltung wird in weiterer Ausgestaltung der Erfindung dadurch verwirklicht, daß ein Halbleiterschalter vorgesehen ist, der beim überschreiten eines zulässigen Maximalstroms in der Transistorschaltstufe einen der Eingänge des Operationsverstärkers kurzschließt.

Weitere Einzelheiten und zweckmäßige Weiterbildungen sind nachstehend anhand zweier in der Zeichnung dargestellter Ausführungsbeispiele näher beschrieben und erläutert.

Es zeigen:

!ig. 1 . den Schaltplan eines ersten Ausführungsbeispiels und

Fig. 2 den Schaltplan eines zweiten Ausführungsbeispiels.

Das erste Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 besitzt als Verbraucher einen Gleichstrommotor 11, der über eine Plusleitung 28 und einen Hauptschalter 12 an den Pluspol einer Batterie 13 angeschlossen ist. Mit dem Minuspol der Batterie 13 ist der Gleichstrommotor 11 über eine Transistorschaltstufe mit Transistoren 14-, 15, 16 und eine Minusleitung 27 verbunden. Die drei Transistoren 14-, I5, 16 sind parallel geschaltet und weisen Emitterwiderstände I7, 18, 19 auf. Ihre Basiselektroden sind mit dem Emitter eines als Emitterfolger geschalteten Transistors 21 verbunden. Zwischen dom Emitter des Transistors 21 und der Minusleitung 27 liegt ein Emitterwiderstand

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Parallel zum Gleichstrommotor 11 ist eine Freilaufdiode 20 geschaltet. Als Zwischenstufe dient ein Schalttransistor 23 mit einem Kollektorwiderstand 24 und einem Basisspannungsteiler 26. Der astabile Multivibrator enthält als aktives Bauelement einen Operationsverstärker 30, an dessen Ausgang der Widerstand 25 angeschlossen ist, der einen Teil des Basisspannungsteilers des Schalttransistors 23 bildet. Der Ausgang des Operationsverstärkers 30 ist über einen Widerstand 31 mit dem nicht invertierenden Eingang und über die Reihenschaltung zweier Widerstände 33 und 32 mit dem invertierenden Eingang verbunden. Vom Verbindungspunkt zwischen den Widerständen 32 und 33 führt ein Kondensator 34 zur Minusleitung 27·

Der nicht invertierende Eingang des Operationsverstärkers 30 ist über einen Eingangswiderstand 36 an den Abgriff eines aus zwei Widerständen 37» 38 bestehenden Spannungsteilers angeschlossen. Der invertierende Eingang des Operationsverstärkers 30 ist über einen Eingangswiderstand 35 mit dem Schleifer eines Potentiometers 39 verbunden, das zwischen der Plusleitung 28 und der Minusleitung 27 liegt.

Das zweite Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 besteht weitgehend aus den gleichen Bauteilen wie das erste Ausführungsbeispiel. Diese sind mit den gleichen Bezugszahlen bezeichnet, wie in Fig. 1 und werden nicht mehr beschrieben. Die Transistorschaltstufe besteht beim zweiten Ausführungsbeispiel aus zwei Transistoren 50, 51» die in Darlington-Schaltung angeordnet sind. Zwischen 'dem Emitter des Vortransistors 5I und der Minusleitung 27 liegt ein Emitterwiderstand 52. In Serie zum Gleichstrommotor 11 ist ein niederohmiger Meßwiderstand 42 geschaltet. Parallel zum Meßwiderstand 42 liegt ein Potentiometer 43, dessen Abgriff mit der Basis eines Transistors 40 verbunden ist, der im Gegensatz zu allen anderen Transistoren der Steuerschaltung als pnp-Transistor ausgebildet ist.

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Dem nicht invertierenden Eingang des Operationsverstärkers 30 sind in Reihe zwei Eingangswiderstände 36, 41 vorgeschaltet. Am Verbindungspunkt zwischen den beiden Widerständen 36 und 41 liegt der Kollektor des Transistors 40. Sein Emitter ist mit der Plusleitung 28 verbunden.

In den folgenden Absätzen wird die Funktionsweise der beiden beschriebenen Schaltungen näher erläutert. Beim Einschalten der Anordnung sei der Kondensator 34 entladen und das Potentiometer 39 so eingestellt, daß der invertierende Eingang des Operationsverstärkers 30 auf niederigerem Potential liegt als der nicht invertierende Eingang. Infolge der positiven Rückkopplung durch den Widerstand 31 liegt dann der Ausgang des Operationsverstärkers 30 nahezu auf dem Potential der Plusleitung 28 und der Kondensator 34 wird über den Widerstand 33 aufgeladen. Hit der Aufladung des Kondensators 34 nimmt die am invertierenden Eingang des Operationsverstärkers 30 liegende Spannung langsam zu. Sobald sie den Spannungswert überschreitet, der am nicht invertierenden Eingang liegt, springt das Ausgangspotential des Operationsverstärkers 30 auf das Potential der Minusleitung 27 und der Kondensator 34 wird über den Widerstand 33 wieder entladen.

Dieses Spiel wiederholt sich periodisch und das Tastverhältnis der Ausgangsimpulse des Operationsverstärkers 30 hängt von der Einstellung des Potentiometerii 39 ab. Die Ausgangsimpulse des Operationsverstärkers 30 werden vom Schalttransistor 23> der die ZvrLschcnstufe bildet, umgekehrt. Die Transistorschaltstufe 14, 15, 16 bzw. 51» 50 ist also eingeschaltet, wenn der Ausgang des Operationsverstärkers 30 auf dem Potential der Minusleitung liegt.

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Beim zweiten Ausführungsbeispiel ist zusätzlich noch eine Strombegrenzung vorgesehen. Damit ist es möglich, die Transistoren der Transistorschaltstufe für eine kleinere maximale Verlustleistung zu dimensionieren. Mit zunehmenden Strom im Verbraucher 11 steigt auch der Spannungsabfall am Meßwiderstand 42. Beim Überschreiten eines bestimmten, mit dem Potentiometer 43 einstellbaren Spannungsabfalls am Meßwiderstand 4-2 wird der Transistor 40 leitend, so daß das Eingangspotential des nicht invertierenden Eingangs des Operationsverstärkers 30 stark angehoben wird. Am invertierenden Eingang des Operationsverstärkers 30 liegt aber nicht die volle Kondensatorspannung, sondern über einen Spannungsteiler aus den Widerständen 32, 35» 39 nur ein Teil dieser Kondensatorspannung. Daher kann bei leitendem Transistor 40 das Eingangspotential des invertierenden Eingangs des Operationsverstärkers 30 nicht mehr höher liegen als das Eingangspotential des nicht invertierenden Eingangs. Der Ausgang des Operationsverstärkers 30 bleibt daher so lange auf Pluspotential, bis der über die Freilaufdiode 20 fließende Strom im induktiven Verbraucher 11 soweit abgeklungen ist, daß der Transistor 40 wieder sperrt. Nach Ablauf dieser Zeit kann auch die Transistorschaltstufe wieder leitend werden.

Die V/irkungsweise der Schutzschaltung kann noch weiter verbessert werden, wenn man anstelle des Transistors 40 einen Schmitt-Trigger einschaltet, weil dieser im Gegensatz zum Transistor Sprungverhalten besitzt. Da der Schmitt-Trigger 40 eine Schalthysterese aufweist, wird die Transistorschaltstufe 14, 15i 16 bzw. 51 j 50 nach dem Überschreiten der Maximalstromstärke gesperrt und erst nach dem unterschreiten einer kleineren Stromstärke wieder geöffnet. Die beschriebene Steuerschaltung erfüllt die eingangs genannten Forderungen: das Tastverhältnis der Aus gangs impulse des Operationsverstärkers 30 kann mit Hilfe des Potentiometers 30 in beliebig weiten Grenzer, variiert wer-

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den. Dabei ist allerdings zu beachten, daß die Frequenz der Impulse nicht konstant bleibt. Infolge der großen Induktivität des Verbrauchers 11 stört das jedoch keinesfalls. Weiterhin sind die Ausgangsimpulse des Operationsverstärkers 30 infolge der hohen inneren Verstärkung des Operationsverstärkers und infolge der positiven Rückkopplung über den Widerstand $1 sehr steilflankig. Schließlich ist der Schaltungsaufwand wesentlich kleiner als bei der bekannten Steuerschaltung. Die Einsatzmöglichkeiten der Steuerschaltung sind nicht nur auf kleinere Gleichstrommotoren beschränkt, sondern es ist auch die Anwendung für beliebige induktive Verbraucher, wie z. B. Wirbelstrombremsen, möglich.

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Claims

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Ansprüche

[ l.\ Steuerschaltung zur Versorgung eines induktiven Verbrauchers mit impulsförmigem Gleichstrom aus einer Gleichstromquelle, mit einer Transistorschal'tstuf e, die den Gleichstrom führt und über eine Zwischenstufe von einem astabilen Multivibrator angesteuert wird, dadurch gekennzeichnet, daß als astabiler Multivibrator ein Operationsverstärker (30) mit einem nicht invertierenden (+) und einem invertierenden (-) Eingang vorgesehen ist und daß als Zwischenstufe ein Schalttransistor (23) vorgesehen ist.
2. Steuerschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß dem Operationsverstärker (30) ein Mitkopplungszweig mit einem Widerstand (31) und ein Gegenkopplungszweig mit zwei Widerständen (32, 33) und einem Kondensator (3⁷+) zugeordnet sind.
3· Steuerschaltung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Eingänge (+, -) des Operationsverstärkers (30) jeweils an den Abgriff eines Spannungs-

teilers (37, 38 bzw. 39) angeschlossen sind.

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4. Steuerschaltung nach Anspruch 3* dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens einer der Spannungsteiler als Potentiometer (30) ausgebildet ist und zur Einstellung des Tastverhältnisses dient.
5· Steuerschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß ein Halbleiterschalter (40) vorgesehen ist, der beim überschreiten eines zulässigen Maximalstromes ™ in der Transistorschaltstufe (14, 15, 16 bzw. ^O, 5I) einen der Eingänge des -Operationsverstärkers (30) kurzschließt.
6. Steuerschaltung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Halbleiterschalter (40) vom Spannungsabfall an einen in Serie zum Vex'braucher (11) liegenden Meßwiderstand (42) angesteuert wird.

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