DE2115661A1

DE2115661A1 - Schaltverstärker

Info

Publication number: DE2115661A1
Application number: DE19712115661
Authority: DE
Inventors: V Koning; R Norian
Original assignee: Xerox Corp
Current assignee: Xerox Corp
Priority date: 1970-03-31
Filing date: 1971-03-31
Publication date: 1971-10-21
Also published as: BE765005A; DE2115661C3; NL7104083A; US3668414A; FR2089070A5; DE2115661B2; CA930432A; GB1334407A; SU420197A3

Description

Patentanwälte Dipl.-Ing. F. Weickmann,

Dipl.-Ing. H. Weickmann, Dipl.-Phys. Dr. K. Fincke Dipl.-Ing. F. A.Weickmann, Dipl.-Chem. B. Huber

XPJROX CORPORATION Zero;: Square

Rochester, Ii.Y. 14 603 U.3A

8 MÜNCHEN 86, DEN POSTFACH 860 820

MÖHLSTRASSE 22, RUFNUMMER 4g 39 21/22

<98 3921/22>

Schaltverstärker

Die Erfindung betrifft einen Schaltverstärker zur wahlweisen Verbindung mit einer Spannungsquelle mit einer induktiven Lc.ct.

Induktive Lasten wie Hot ore, Transformatoren, Relais und Slektromagnete können durch direkte Verbindungen mit der Speisespannung gesteuert werden. Oft muß jedoch ein Signal mit genauerer Betriebsfrequenz verwendet werden, da die Netzfrequenz über vorgegebene Betriebswerte hinaus Änderungen unterworfen ist. Daher v/erden örtliche Signalquellen verwendet, die eine genauere Steuerung der Signaleigenschaften, beispielsweise der Frequenz, dor Stromstärke und der Spannung, ermöglichen.

;-iit jeder Anschaltung einer Speisespannung treten bei induktiven Lasten gewisse Probleme auf. Die Induktivität der Last kann große Spannungs- und Stromänderungen verursachen, die in der Treiberschaltung erscheinen und möglicherweise deren Komponenten, zerstören oder anderweitig beeinträchtigen. Auch wenn diese /jidoruii^jen zu einer Zerstörung von Schaltelementen nicht ausreichend hoch sind, kann ein elektrisches Häuschen erzeugt werden, welches genauso unerwünscht ist. Hit dem Erfordernis

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der Steuerung einer induktiven Last ohne schädliche Auswirkungen der Spannungs- und Stromänderungen in der Steuerschaltung ist eine entsprechende Ausbildung dieser Steuerschaltung wichtig, die mit wenig Aufwand eine zuverlässige Schutziaöglichkeit bietet.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, einen Schaltverstärker zur Steuerung einer induktiven Last zu schaffen, der ein genaues Steuersignal liefert und dabei gegen die Auswirkungen von Signaländerungen oder anderen Rauscheffekten geschützt ist.

Ein Schaltverstärker der eingangs genannten Art ist zur Lösung dieser Aufgabe erfindungsgemäß gekennzeichnet durch einen Schalttransistor, dessen Kollektor und Basis mit einem Kondensator verbunden sind, der so bemessen ist, daß er die Anstiegs- und die Abfallzeit des vom Transistor abgegebenen Signals bestimmt und eine Einwirkung großer, durch die induktive Last verursachter Spannungs- und Stromänderungsn auf den Transistor verhindert.

Ein Schaltverstärker nach der Erfindung liefert stets Signale mit genau vorgegebener Frequenz an eine induktive Last und ist gleichzeitig gegen die Auswirkungen von Ausgleichsvorgängen geschützt. Wird ihm ein rechteckförmiges Signal zugeführt, so wird der Schalttransistor jeweils ein- und ausgeschaltet und verbindet dabei in entsprechender Weise eine Spannungsquelle mit der induktiven Last. Der eine Rückkopplung zwischen dem Kollektor und der Basis des Schalttransistors erzeugende Kondensator dient zur Beseitigung der Auswirkungen von Spannungsänderungen, die durch die in der induktiven Last jeweils gespeicherte Energie, erzeugt werden. Eine zu dieser Schaltung symmetrische Schaltung arbeitet in derselben Weise mit einem Signal, das gegenüber dem beschriebenen Eingangssignal um 130 phasenverschoben ist.

Die Erfindung wird im folgenden mit ihren weiteren Wesenszügen und ¥orteilen anhand der Figuren beschrieben. Es zeigen;

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Fig, 1 eine schematisclic Darstellung der erfindungsgemäßen Scnaltun; ;sanordnung und

I/i ;. 2 oiG k L-.quivalentc Schaltungen, die zum Verständnis des Prinzips der orfindiaigsgemäßen Schaltung dienen _e

Das :ü: folgenden beschriebene AuGführungsbeispiel der erfindungc- ;; -1'"/JCIi Schaltiogsr//i:>rrlming dient zur Steuerung eines vierpoligen, ι ,it FhaßcnscliicbsrküiideiiGator' versehenen Hysterese, Synchronmotor nit liolior ".ctricbszuverlüssigkeit. Die erfindungsgemäßc . .chaltung verwirklicht einen optimalen Wirkungsgrad, optimale Verstärkung, Minimalen AuiVand und minimale j]rzeugung von Aus- \

,-•loichsvorgi'ngen. Die Schaltung kann natürlich auch zur Eeibelia?.tun ζ oii:oG genauer^ Frequenz signals mit verringertem Iiauschen iri'.". oImio Axisglcichsvorgiijige für die meisten Arten induktiver ^T r:: -'- ciz vsrwend 31 i.^ro rden.

... "γρ. ingang 1 cer in Fig. 1 gezeigten Schaltung ist ein iva'-tocIn'öruigeG .Signal mit einei' Frequenz von beispielsweise :^Λ'~ oJlor K-C :.z ciigcscl-altat. Dieses Signal kan'i 2inz Spannung ■z\:5.:'ohz:i j,rdpotontial uii-J. IC YoIt h-υαη. Das Signal wird ö.or "'r.cis ;ines Traiisictors -U3 zugeführtc .Jine Diode H;i'i2 ict Mit 1" :.·::?." x'r.tliode an con !-.»ingang und mit ihrer Anode an Jirde angcs chr.lt et uii.". bcv;irl:t, dai- nur Spannung en von -ü,7 Volt und darüber an del- :>.sis des Transistors i6 erscheinen können. Dies bedeutet, clafi Oc:eic Spannung unter -0,7 Volt (Spannungsabfall der Diode D1Z) \'\D3V dia Diode nach ürde larrzgeschlosseii ist. ^in «^riderstand 111G, ,'.er r.:it einer negativer- Spaimungscuelle von -14 Volt verbunden ist, bewirkt eine scloneHe Sperrung des !'ransistors QB, wenn .as eingangssignal auf lirdpatential abftlllt. Der Kollektor des Transistors 08 ist mit einer positiven Spannung über einen Widerstand 1113 verbunden* diese besticffiit den Detriebsbereicli des

Das rechteclcföriiiigc Eingangssignal öffnet den transistor QS bei ucn positiven Signalte ilen. Der Transistor 0,8 ist also leitend, \:osii :,:λ3 ücc'itccksignal eine Amplitude von 1G Volt hat, während

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er gesperrt ist, wenn die Amplitude dem Srdpotential entspricht. Bei leitendem Transistor Q8 fließt ein Strom von der positiven Spannungsquelle über den Widerstand R1Ü, den Transistor QG, die Widerstände R19 und R20 zum negativen Pol der Spannungsquelle. Der aus den Widerständen R19 und R20 gebildete Spannungsteiler bewirkt eine Teilung des mit dem Transistor Qo verstärkten Signals, Das Stromsignal am Punkt A hat eine Form, die derjenigen des Spannungssignals am Eingang 1 entspricht, _swenn man den Basisstrom Ig vernachlässigt. Wenn der Transistor Q18 durch das Stromsignal am Punkt A leitend wird, so wird er durch einen linearen Bereich gesteuert, bevor seine Sättigung eintritt. Da der Transistor £10 sich in diesem linearen Bereich wie ein Verstärker mit hohem Verstärkungsfaktor verhält, kann er in Form der in Fig. 2 gezeigten äquivalenten Schaltung dargestellt werden. Durch anwendung des Thevenin-Theorems kann die in Fig. 2 gezeigte Schaltung in die in Fig. 3 gezeigte Schaltung umgewandelt werden, die einen klassischen Integrator darstellt. Aus dieser Schaltung können die folgenden Beziehungen abgeleitet v/erden;

r> - R19 x R20

¹¹T " R.19 + R20

ν - R
^VT ~ R

- R2Q (V + Vt)
R19 + R-20

- ¹B

dV I -

dt " C2

Ein stufanartig ansteigendes Hingangesignal hc.t in C.or de.rgestellten Weise deshalb ein schräg ansteigendes Au3gr.ngssicnal zur Folge. Die Abfallzeit des Ausgangεsignals ist gesteuert, das Ausgangssignal fällt linear ab. nachdem der Transistor -Q1E durch den linearen Bereich gesteuert wurde, gelangt ei" in dio Sättigung und verhält sich dann wie ein gesättigtes Schalterolcment» Bei leitendem Transistor W] j irrt die Stromquelle 3 für den I lot or in eiiion über die I-Iotorwicklun.^ und cleii TrcaisiE"':or

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Q1G verlaufenden Stromkreis geschaltet, so daß der Motor ordnunjsgeiiiäß gespeist wird.

V/enn das Signal an der Basis des '.Transistors QS auf Erdpotential abfällt, so wird der Transistor QG gesperrt, v/odurch sein Basis-Smitterstronkreis am Widerstand R19 geöffnet wird. Der Transistor 1Ί18 wird wieder durch einen linearen Bereich gesteuert, v/enn er von der Sättigung in den gesperrten Zustand übergeht. Die äquivalente Schaltung ist in Fig. 4 dargestellt, sie enthält folgende BeZiehungens

¹C =	" ¹B
dV	- ¹B
dt -	C2
= 1
I

Infolge des starken, durch die Motorwicklung fließenden Stroms und der daran abfallenden hohen Spannung verursacht die Induktivität der Motorwicklung eine Speicherung von Energie, die bei Abschaltung zum Kollektor des Transistors Q18 zurückfließt. Der durch den Kondensator C2 und den Widerstand R20 verursachte Integrationseffekt steuert die Anstiegszeit des Ausgangssignals und beseitigt Ausgleichsvorgänge, die durch die Induktivität der Ilotorwicklung und außergewöhnliche Spannungen erzeugt werden, welche an der Kollektor-Basisstrecke des Transistors Q18 auftreten könnten. Die Diode CR14 ermöglicht· einen Stromfluß von Drde ausgehend, v/enn eine starke Spannungsänderung an der Hmitter-Basisstrecke des Transistors Q18 auftritt. Durch Steuerung der Anstiegs- und Abfallzeit des Ausgangssignals mittels Integration der iilingangssignalo verhindert der Rückkopplungskoiidoiicator C2 die Einwirkung großer Spannungsänderungen und Stromänderungen aus dem Motor auf den Transistor Q18, solche Änderungen könnten andernfalls den Transistor zerstören,

■'.ioiüi eier Motor oder die induktive Last ähnliche, jedoch hinsichtlich der Phase einander entgegengesetzt v/irkende Wicklungen hat, so kann eine zur vorstehend beschriebenen symmetrische

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Schaltung vorgesehen sein, die in gleicher ,/eise erholtet. An Eingang 2 tritt ein -SigiaL ähnlich wie das an Uingang 1 auf, dessen Phase jedoch um 180 verschoben ist. Es gelangt auf die Basis des Transistors Q9. Dieses Signal steuert den Transistor 0.9 ähnlich wie der Transistor Q8 gesteuert wird, wobei ein Strcufluß durch den 7/iderstand R6, den Transistor Ü9, die Widerstände R2 und R21 zum negativen Pol der Spannun^squelle erzeugt wird. Das am Verbindungspunkt zwischen den Wi der standen IiZ und itZ'i auftretende Stromsignal wird der Basis des Transistors Q9 zugeführt. Dieser wird ähnlich wie der Transistor Q18 gesteuert, jedoch jeweils bei entgegengesetzter Phase des Bin^an-^s signals. ¥enn der Transistor Q18 leitend ist, ist der Transistor v;11 gesperrt und umgekehrt. Die Stromquelle 3 für den Kot or wird auf diese Weise abwechselnd an die beiden Wicklungen des .-.otors über die Widerstände Q18 und Q11 angeschaltet. Dio Diode GRI5 schützt ähnlich wie die Diode CRt4 die Basis-Kmitterstrecke des Transistors Q11 gegen außergewöhnliche Spannungsänderungen, die durch das Zusammenbrechen des Feldes in der Ilotorwicl-ilung erzeugt werden können. Der Kondensator C3 und der Wider stand R21 arbeiten ähnlich wie der Kondensator C2 und der Widerstand R20 zur Steuerung der Anstiegszeit des Aus gangs signals und zur "Verhinderung von Ausgleichsvorgängen beim Aufbau und beim Abbau des Feldes in den Motorwicklungen.

Die den Eingangskleminen 1 und 2 zugeführten Steuersignale können mit einer Signalquelle vorgegebener Frequenz erzeugt v/erden. Die beschriebene Schaltungsanordnung liefert dadurch der Motorwicklung genau reproduzierte Signalfrequenzen, so daß ein genaues Antriebssignals beibehalten wird und gleichzeitig ein Schutz vor Ausgleichsvorgängen und anderen Rauscheffekten verwirklicht ist. Die Erfindung ermöglicht eine wesentliche Aufwandsverringerung bei zuverlässiger Betriebsweise und wesentlicher Verringerung von Ausgleichsvorgängen. Die Schalttransistoren Q11 und Q13 erzeugen in der beschriebenen Schaltung eine gesteuerte Anstiegs- xxncl Abfallzeit des dem Motor zugeführten Signals, gleichzeitig ist ein Schutz gegen Auswirkungen der Impedanz des I-Iotors verwirklicht.

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Vorstehend wurde eine Schaltungsanordnung zur Steuerung eines Ilotorr; oder einer ruderen induktiven Last mit einer Signalv'uollcgenau vorgegebener Frequenz bei mninaler Erzeugung von Aus^Xoichsvcrgängen besclirieben. Abweichend von den genannten Jpcinun^s- und Frequcnswertcn können auch andere Größen angevronc'iot vrerden, olnie von Grundgedanken der Erfindung abzuv/eichen. V/eitore Außfülinmnsfornen sind zur. Anpassung an andere, Erfordernisse den Fachraaiin nöfjlicli, -diese werden insgesamt durch den Grundgedanken dor l^rxindung erfaßt.

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Claims

Patentansprüche

Schaltverstärker zur wahlweisen Verbindung einer Spannungsquelle mit einer induktiven Last, gekennzeichnet durch einen .Schalttransistor (18), dessen Kollektor und Basis mit ~inon Kondensator (C2) verbunden sind, dor so benessen ist, daß er die Anstiegs- und die Abfallzeit des von !Transistor (ui'O abgegebenen Signal bestimmt und eine Einwirkung;, großer, durch die induktive Last verursachter 3pannungs- iod Stroiiänderungen auf den Transistor verhindert.
2. Schaltverstärker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß an den Emitter und die Basis des .Jchalttransistors C-.'l·) eine Diode (ΟΓ:14) angeschaltet ist, die großo ijignalLaidcrungc an der ünitter-Bas is strecke des Schalttransistors (-/Ιό) kurzschließt, welche bei leitendem Schalttransistor (Q1C) durch die induktive Last erzeugt werden können.
3. Schaltverstärker nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein zweiter transistor (QO) vorgesehen ist, der durch rechteGkföraige I/echsolstromsigncle gesteuert wird und Botriebsstromsignale vorbestirarater Spannung und Ctronstllrke liefert, die dem Schalttransistor (ü1G) zugeführt werden.
4. Schaltverstärker nach einem der vorhergehenden Ansprüche, insbesondere zur Steuerung symmetrischer induktiver Lasten, gekennzeichnet durch einen symmetrischen Aufbau mit zwei Schalttransistoren (Q18, Q11), deren Kollektor und Dasis jevreils mit einem Kondensator (C2, C3) verbunden sind.
5. 3cho.ltverstärker nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Emitter-Basisstrecke eine Diode (CkI4, ClIi 5) zugeordnet ist«

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6,.Schaltverstärker nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß jedem Schalttransistor (Q18, UiT) ein Steuertransistor (Q8, Q9) vorgeschaltet ist» der duröh ein reoheokförmiges Wechselstromsignal angesteuert wird» wobei da» Weohselstromsignal für den einen Steuertransistor (Q8) gegenüber dem Wechselstromsignal für den anderen Steuertransistor (Q9) eine um 180° verschobene Phase hat.

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