DE1922013C3 - Elektronischer Schwellwertschaltkreis mit wechselstromabhängigem Spannungsschwellwert - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen elektronischen Schwellwertschaltkreis mit wechselstromabhängigem Spannungsschwellwert, welcher im Steuerstromkreis eines mit einer Wechselstromquelle und einem Wechselstromverbraucher in Reihe geschalteten bidirektionalen oder eines in gleicher Weise geschalteten unidirektionalen Thyristors zwischen der Steuerelektrode des bidirektionalen bzw. des unidirektionalen Thyristors und dem Kondensator eines dem betreffender Thyristor parallelgeschalteten ohmsch-kapazitiven Spannungsteilers angeordnet und bei Verwendung eines

ίο bidirektionalen Thyristors bidirektional, bei Verwendung eines unidirektionalen Thyristors unidirektional geschaltet ist und bei Verwendung eines bidirektionalen Thyristors eine dem Gleichstromausgang einer Gleichrichterbrückenschaltung, deren Wechsel-Stromeingang zwischen dem Kondensator des ohmschkapazitiven Spannungsteilers und der Steuerelektrode des bidirektionalen Thyristors geschaltet ist, parallelgeschaltete, bei Verwendung eines unidirektionalen Thyristors mit einer für einen Steuerstrom durchlässigen Gleichrichterdiode eine in Reihe geschaltete Reihenschaltung eines Schalttransistors und eines ersten Widertandes enthält. Ein solcher Schaltkreis ist bekannt 'Elektronik 1968, S. 106, Bild 11).

Bei Antrieben mit Universalmotoren, die bekanntlieh ein lastabhängiges Drehzahlverhalten (Reihenschlußverhalten) aufweisen, ist vielfach eine stufenlose Verstellung der Drehzahl erwünscht. Im besonderen soll die jeweils eingestellte Drehzahl von Belastungsänderungen weitgehend unabhängig sein, d. h., der verwendete Universalmotor soll Nebenschlußverhalten aufweisen.

Eine Drehzahlsteuerung von Universalmotoren ist beispielsweise mit Hilfe eines dem Anker vorgeschalteten Widerstandes möglich, welcher verstellt werden muß. Nachteile dieses einfachen Steuerverfahrens sind die Energieverluste und die Begrenzung des Ankerstromes, so daß Feldsättigung nicht möglich ist und eine steil abfallende Drehzahl-Drehmoment-Kennlinie sich ergibt. Vermeiden läßt sich dieser Nachteil durch Anschnitt der Motorspannung mit Hilfe eines elektronischen Wechselstromstellgliedes, ζ. B. eines bidirektionalen Thyristors (Triac). Es wild dabei nicht ein Vorwiderstand verstellt, sondern durch Verschieben der Phasenlage des Zündzeitpunktes des

+5 Thyristors die Spannungszeitfläche der Motorspannung verändert.

Schaltungen zur Drehzahlsteuerung von Kollektormotoren durch Phasenschnitt der Motorspannung mit Hilfe eines unidirektionalen Thyristors, welcher über einen Transistor ein einfaches Diodenschwellwertglied oder eine Glimmröhre angesteuert wird, sobald bei einem dem Thyristor parallelgeschalteten ohmschkapazitiven Spannungsteiler der Kondensator auf eine bestimmte Spannung geladen ist, sind z. B. in den schweizerischen Patentschriften 425 967, 445 617 und der belgischen Patentschrift 693 173 angegeben. Diese Schaltungen sind für eine Drehzahlsteuerung in Abhängigkeit von der Motorbelastung, d. h. von der Ankerstromstärke des Motors eingerichtet. Die dort verwendeten Schwellwertglieder sind teils in nur einer, teils in beiden Polaritäten (Glimmröhre) stromleitend zu steuern und mit einem ohmsch-kapazitiven Spannungsteiler verbunden, bei dem der Kondensator, da jeweils ein unidirektionaler Thyristor angesteuert wird, in jedem Falle in einer Polarität geladen wird und somit die Kapazität des Kondensators nur einseitig ausgenutzt wird.
Für die Drehzahlverstellung durch die Anschnitt-

steuerung der Motorspannung mit Hilfe eines bidirektionalen Thyristors wird als Steuerschaltung ein ohmsch-kapazitiver Spannungsteiler und ein unter der Bezeichnung »Diac« .bekannter elektronischer Schwellwertschalter benutzt (Elektronik 1968, S. 108, BfId 23). Der Spannungsteiler ist zum bidirektionalen Thyristor parallel geschaltet und über den Schwellwertschalter und Vorwiderstand mit der Steuerelektrode des bidirektionalen Thyristors verbunden. Sobald innerhalb eiaer Halbperiode der Betriebswechselstrom die Blockierspannung am bidirektionalen Thyristor den Kondensetor des Spannungsteilers auf den Schwellwert geladen hat, wird der Schwellwertschalter stromleitend und entlädt den Kondensator des bidirektionalen Thyristors, so daß ilieser gezündet wird. Durch Verändern eines Spannungsteifer-Widerstandes kann der Zündzeitpunkt innerhalb einer Halbperiode zeitlich verändert werden. Für die Drehzahl des Reihenschlußmotors gilt die Beziehung

U Ia

Vernachlässigt man den Innenwiderstand Rt des Motors, so nimmt mit dem Moment M die Ankerstromstärke Ia quadratisch zu und treibt das Feld in die Sättigung, so daß mit zunehmendem Strom Ia der Abfall der Drehzahl η flacher als bei Drehzahlverstellung mittels eines Vorwiderstandes wird. Die Abhängigkeit der Drehazhl von der Belastung bleibt jedoch bestehen.

Es isv ferner bekannt, daß bei Anwendung der sogenannten EMK-Regelung bzw. der ankerstromabhängigen Regelung für die Drehzahlsteuerung eines Motors eine annähernd horizontale Kennlinie M(Ii) eines Nebenschlußmotors erreicht werden kann. Entsprechende Schaltungen sind z. B. in der deutschen Aublegeschrift 1277 417 und der USA.-Patentschrift 3 1 '>-*> 688 beschrieben. Es wird hierbei ebenfalls von einem ohmsch-kapazitiven Spannungsteiler in der Steuerschaltung für das Thyristor-Stellglied Gebrauch gemacht. Bei der EMK-Regelung liegt dieser Spannungsteiler parallel zur Reihenschaltung aus Stellglied und Motor, und es wird ferner von der Ankergegenspannung Gebrauch gemacht, die dem Ankerstrom angenähert proportional ist, da sich Drehzahl und Remanenz während der Strompause praktisch nicht verändern.

Da die Ankergegenspannung in den Stromflußpausen der Spannung am Kondensator des Spannungsteilers entgegengerichtet ist, wsrd sie zur Vorgabe einer Schwellwertspannung ausgenutzt. Sobald die Spannung am Kondensator die Ankergegenspannung überschreitet, fließt aus dem Kondensator über die Steuerstrecke des Thyristors ein Entladestrom, und der Thyristor wird gezündet.

Da mit fallender Drehzahl die Ankergegenspannung abnimmt, wird sie früher innerhalb einer Halbperiode der Betriebs-Wechselspannung überschritten, und der Thyristor wird dann ebenso früher gezündet. Dadurch wird die Spannungszeitfläche der Motorspannung entsprechend größer und das Abfallen der Drehzahl verhindert. Diese EMK-Regelung ist jedoch nicht sehr wirkungsvoll, weil in den Stromflußpausen die Ankergegenspannung verhältnismäßig klein ist. Die Stabilisierung der Drehzahl ist somit bei geringer Drehzahl nie¹ \ möglich.

Es wurde auch festgestellt, daß die Dreh/ahlstabilisierung mittels der EMK-Regelung nur bei einer Einwegschaltung des Ankerstromkreises mit einem unidirektionalen Thyristor durchführbar ist. j Weiterhin ist bei einer EMK-Regelung keine delinierte Zündung möglich, da die Zünddaten von Thyristoren streuen. Diese Streuung kann nicht durch Übersteuern mit Hilfe eines Zündimpulses ausgeglichen werden.

ίο Zur Beseitigung dieser aufgezeigten Mangel ist ein Schwellwertschaltkreis der eingangs genannten Art erfindungsgemäß gekennzeichnet durch einen aus diesem ersten sowie aus einem zweiten und dritten Widerstand gebildeten ohmschen Spannungsteiler zur

Vorgabe des Schwellwertes, bei welchem der Teilspannung des ersten Widerstandes und des dritten Widerstandes eine dem Wechselstrom des Verbrauchers proportionale Gleichspannung parallel geschaltet ist, und ferner durch einen mit der Basis zwischen dem zweiten und dritten Widerstand des Spannungsteilers angeschlossenen, über einen zweiten weiteren nach D a r I i η g t ο η geschalteten Transistor mit der Basis des Schalttransistors verbundenen ersten weiteren Transistor.

*5 An Hand der Zeichnung sei ein Ausführungsbeispiel der Erfindung näher erläutert.

Ein als Wechselstromverbraucher vorgesehener Universalmotor M ist über einen bidirektionalen Thyristor i an eine Wechselspannungsquelle W angeschlossen. Die Steuerschaltungsanordnung für den bidirektionalen Thyristor 1 enthält einen ohmschkapazitiven Spannungsteiler 2, der zum bidirektionalen Thyristor 1 und einem Widentand 51 parallel geschaltet ist, und einen in ein gestricheltes Rechteck

eingezeichneten Schaltungsteil, der einen elektronischen Schwellwertschalter 4 darstellt. Dieser Schalter 3 hat einen Steuereingang £31, £32 und einen Ausgang Λ 31, /4 32. Der Ausgang ist an der Gleichstromseite einer Gleichrichterbrücke 4 angeschlossen, welche wechselstromseitig die Steuerelektrode des bidirektionalen Thyristors I nut dem Spannungsteiler 2 verbindet. Am Steuereingang wirkt eine dem Ankerstrom /.4 proportionale Gleichspannung Un auf den Schwellwertschalter 3 ein. Un ist im vorliegenden

+5 Beispiel von der Wechselspannung, die der Strom Ia

durch den Meßwiderstand 51 erzeugt, abgeleitet.

Die Spannung Un wird duich einen Übertrager 52

auf einen Gleichrichter 53 mit nachgeschaltetem Glättungsglied 54 übertragen. Bei dieser Schaltungs-

weise arbeitet der Schalter 3 in bezug auf die Wechselspannung am Spannungsteiler 2 wie eine bidirektionale Diode mit einer negativen und einer positiven Durchbruchspannung (Spannungsschwellwert), d. h., er wird unabhängig von der Polarität der Wechselspannung stromleitend, wenn der Betrag der Wechselspannung am Kondensator 21 des Spannungsteilers 2 diesen Schwellwert überschreitet. Der Kondensator 21 wird dabei in jeder Halbperiode der Wechselspannung über den Brückengleichrichter 4, den elektronischen Schwellwertschalter 3 und die Steuerstrecke des bidirektionalen Thyristors 1 entladen, so daß der Thyristor 1 abwechselnd positive und negative Steuerstromimpulse erhält und abwechselnd in der positiven und negativen Durchlaßrichtung gesteuert wird. Mit Hilfe eines verstellbaren ohmschen Widerstandes 22 in Verbindung mit einem festen ohmschen Widerstand 23 kann die Lage des Zündzeitpunktes und damit die Stromflußdauer im bidirektionalen Thyristor 1 und die Größe

5 6 j

der Spannunpszeitflächc der Motorspannung U (An- Ankerstrom, die Spannung Uja ebenfalls zunimmt j

schnillstcuerung) verändert werden. Der ohmsch- und die Teilspannung an den Widerständen 32 und 34 \

kapazitive Spannungsteiler 2 dient dabei als Phasen- größer wird, so daß auch der Verhältniswert der j

schieber. Spannungsteilung und die Schwellwertspannung gröikr .

Die Reihenschaltung eines Transistors 31 mit einem 5 werden und der bidirektionale Thyristor bei zunehmen- : ersten ohmschcn Widerstand 32 bildet den Slrompfad der Spannung am Kondensator 21 entsprechend früher I für den Entladcslrom im Schwellwertschalter 3. An gezündet wird. Bei geeigneter Dimensionierung der einem ohmschen Spannungsteiler, gebildet aus einem Schaltungssteile 3 und 5 wird erreicht, daß die angezwcitcn Widerstand 33 und einem dritten Widerstand schnittene Spannungszeitfläche der Motorspannung I 34 und dem ersten Widerstand 32 liegt die mittels io gleichförmig mit der Ankerstromstärke zunimmt und j der Gleichrichterbrücke 4 gleichgerichtete Wechsel- daß das Verhältnis dieser beiden Größen nahezu i spannung. Mit dem Grad der Spannungsteilung wird konstant bleibt. Nach der eingangs genannten Be- j die Schwellwertspaniumg vorgegeben. Die Teil- Ziehung j spannung über den Widerständen 34 und 32 ist an y j die Steuerstrecke eines ersten weiteren Transistors 35 15 η ~ — Rt j gelegt, dessen Kollektor über einen Widerstand 37 '.< | mit der Basis des Transistors 31 verbunden ist. Über j den Steucreingang des Schwellwertschalters 3 ist der bleibt somit auch die Drehzahl η konstant. Die Größe | Teilspannung die Spannung Ui,\ parallel geschaltet, der Drehzahl ist durch das Größenverhältnis U, j mit wckher die Sch'vellwertspannung beeinflußt 20 insbesondere durch die Spannungszeitfläche, vorgebbar. j werden kann. Die Transistoren 31 und 35 zuzüglich Diese ist wie oben erläutert durch die Lage des Zünd- | eines /weiten weiteren Transistors 36, welcher von Zeitpunktes bestimmt und mit Hilfe des Widerstandes j dem Transistor 35 gesteuert wird, bilden zusammen 22 veränderbar. | einen rückgekoppelten Verstärker. Im ohmschen Wie schon erwähnt, kann der Schwellwertschall er Spannungsteiler selbst, nämlich zwischen dem Kollek- 25 gemäß der Erfindung auch zur Lösung entsprechender .■ tor des Transistors 31 und der Basis des Transistors 35, Steueraufgaben eingesetzt werden, wenn immer erreicht : liegt der Rückkopplungspfad. Sobald bei zunehmender werden soll, daß eine Spannung sich in Abhängigkeit Spannung am Kondensator 21 die Teilspanniing den vom Strom verändert. Soll der Schwellwertschalter Schwellwert überschreitet, werden die Transistoren 35. z. B. als Anlaufstufe zur Begrenzung des Einschalt-36 und 31 aufgesteuert. Gleichzeitig entsteht durch 30 Stromstoßes in einem Transformatorstromkreis eingeden Spannungsabfall des Entladestromes am Wider- setzt werden, so brauchen bei der vorangehend bestand 32 Stromrückkopplung auf die Basis des schriebenen Schaltung nur die beiden Anschlüsse Transistors 35, wodurch dessen Aufsteuerung be- £31, £32 vertauscht zu werden, damit die stromschleunigt wird. Der elektronische Schalter 3 schaltet proportionale Gleichspannung zu der Teilspannung somit den Steuerstrom des bidirektionalen Thyristors 1 35 am Steuereingang des Schwellwertschalters hinzugeschlagartig ein. Der Widerstand 32 begrenzt die Im- schaltet ist und bei zunehmendem Strom die Schwellpulshöhe und verhindert ein zu schnelles Entladen des werte erhöht werden.

Kondensators 21. Dem Zündimpuls kann dadurch Wesentliche Vorteile des Schwellwertschalters geeine Halbwertsbreite erteilt werden, die ausreicht, um maß der Erfindung in der vorliegenden Ausführungsden bidirektionalen Thyristor 1 auch bei induktiver 40 art werden zusätzlich zu der bereits erwähnten Last zu .zünden. bidirektionalen Schaltfähigkeit und der Steuerbarkeit

Die Stabilisierung der Drehzahl des Motors M mit seiner Schwellwerte noch darin gesehen, daß er beim

Hilfe der Einrichtung 5 zur Erzeugung einer der Überschreiten der Schwellwerte sehr schnell strom-

Ankerstromstärke I_A proportionalen Gleichspannung leitfähig wird und daß in Verbindung mit dem Briicken-

und des Schwellwertschalters 3 entsteht dadurch, daß 45 gleichrichter 4 die Spannung am Kondensator 21

bei zunehmender Belastung, d. h. zunehmendem selbst seine Versorgungsgleichspannung liefert.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (2)

1 Patentansprüche:

1. Elektronischer Schwellwertschaltkreis mit wechselstromabhängigem Spannungsschwellwert, welcher im Steuerstromkreis eines mit einer Wechselstromquelle und einem Wechselstromverbraucher in Reihe geschalteten bidirektionalen oder eines in gleicher Weise geschalteten unidirektionalen Thyristors zwischen der Steuerelektrode des bidirektionalen bzw. des unidirektionalen Thyristors und dem Kondensator eines dem betreffenden Thyristor parallelgesciralteten ohmis'ch-kapazitiven Spannungsteilers angeordnet und bei Verwendung eines bidirektionalen Thyristors bidirektional, bei Verwendung eines unidirektionalen Thyristors unidirektional geschaltet ist und bei Verwendung eines bidirektionalen Thyristors eine dem Gleichstromausgang einer Gleichrichterbrückenschaltung, deren Wechselstromeingang zwischen dem Kondensator des ohmsch-kapazitiven Spannungsteilers und der Steuerelektrode des bidirektionalen Thyristors geschaltet ist, parallelgeschaltete, bei Verwendung eines unidirektionalen Thyristors mit einer für einen Steuerstrom durchlässigen Gleichrichterdiode eine in Reihe geschaltete Reihenschaltung eines Schalttransistors und eines ersten Widerstandes enthält, gekennzeichnet durch einen aus diesem ersten (32) sowie aus einem zweiten (33) und dritten Widerstand (34) gebildeten ohmschen Spannungsteiler zur Vorgabe des Schwellwertes, bei welchem der Teilspannung des ersten Widerstandes (32) und des dritten Widerstandes (34) eine dem Wechselstrom des Vertvauchers (M) proportionale Gleichspannung parallel geschaltet ist, und ferner durch einen mit der Basis zwischen dem zweiten (33) und dritten Widerstand (34) des Spannungsteilers angeschlossenen, über einen zweiten weiteren nach D a r 1 i η g t ο η geschalteten Transistor (36) mit der Basis des Schalttransisturs (31) verbundenen ersten weiteren Transistor (35/

2. Elektronischer Schwellwertschaltkreis nach Anspruch 1, zur Verwendung für eine drehzahlstabilisierte Steuerung eines Universalmotors mittels eines bidirektionalen oder mittels eines unidirektionelen Thyristors durch von der Ankerstomstärke beeinflußten Phasenanschnitt der Motorspannung, dadurch gekennzeichnet, daß durch den Phasenanschnitt das Größenverhältnis der Spannungszeitfläche der Motorspannung und der Ankerstromstärke konstant geregelt ist, wobei eine der Ankerstromstärke des Motors (M) proportionale Gleichspannung der Teilspannung des ersten Widerstandes (32) und des dritten Widerstandes (34) des bidirektionalen bzw. des inidirektionalen Schwellwertschaltkreises (3) parallel geschaltet ist, welche mittels Gleichrichtung (53) und Glättung (54) einer Wechselspannung, die an einem vom Ankerstrom durchflossenen Meßwiderstand (51) entsteht, gebildet ist.