DE3147908C2 - Transistorbestückter Servomotorverstärker - Google Patents

Abstract

Mit der Erfindung wird ein linearer Festkörper-Servoverstärker zur Verfügung gestellt, der von einer Niederspannungsquelle betrieben wird, und eine Spannung am Servomotor hervorbringt, die gleich der nur durch die Sättigungsspannungen von zwei seiner Ausgangstransistoren verminderten Spannung der Spannungsquelle ist, und dieser Festkörper-Servomotorverstärker hat eine Brückenausgangsstufe von komplementären Transistoren und eine Brückentreiberstufe von komplementären Darlington-Transistoren, deren Last ein vorgewählter Widerstand ist.

Description

Die Erfindung betrifft einen transistorbestückten Servomotorverstärker, umfassend eine Leistungsbrücke mit komplementären, kontinuierlich ansteuerbaren LeI-stungstranslstoren, wobei die eine Diagonale der Leistungsbrücke zwischen gleichsinnigen Anschlüssen von jedem Paar der komplementären Lelstungstranslsloren den Brückenausgang bildet und eine Einrichtung zum Anschließen einer Gleichstromquelle an die andere Diagonale der Lelstungsbrüeke vorgesehen Ist, und wobei ferner eine Widerstände aufweisende Einrichtung zum Anschließen einer Steuerspannung Im Steuerkreis der Leistungstransistoren vorgesehen Ist.

Dieser Servomotorverstärker 1st insbesondere für den Betrieb mit niedriger Gleichspannung, beispielsweise 12 V aus einer Batterie, vorgesehen.

Es besteht seit langem das Bedürfnis für einen prelswerten Servoverstärker, der eine hohe Genauigkeit hat und einen hohen Ausgangsstrom von einer Gleichstromquelle niedriger Spannung liefert. Unter anderem werden solche Servoverstärker in elektrischen Proportional-Fernsteueranordnungen für hydraulische oder andere Systeme ' verwendet.

Ein Gleichstrommotor erzeugt immer ein Drehmoment, das proportional dem im Motor fließenden elektrischen Strom Ist. Die Richtung des Drehmoments kann sowohl Im Uhrzeigersinn als auch im Gegenuhrzelger-' sinn erzeugt werden, abhängig von der Richtung des Motorstromes.

Es ist bekannt, eine Leistungsstufe in der Form einer Lelstungsbrüeke aufzubauen, und zwar unter Verwendung von Darllügton-Translstoren. Verwendet man eine ' !2-Volt-Stromquelle In Verbindung mit Darlington-Transistoren, dann ist die maximal erzielbare Spannung am Motor etwa 6 Volt. Das sind etwa 5096 Aussteuerungswirkungsgrad bzw. -lelstungsfählgkelt, und dadurch wird das maximale Drehmoment, das von dem Motor ' erzeugt werden kann, begrenzt.

Um den Spannungsabfall am Motor zu vermindern, wurde vorgeschlagen, einen Impulsbreitenmodulierten Leistungsverstärker unter Verwendung von Leistungstransistoren (keine Darllngton-Translstoren) auszubilden. Durch angemessene Ausbildung ist es möglich, bei Verwendung einer 12-Volt-Stromquelle bis zu 11 Volt am Motor hervorzubringen. Jedoch hat die impulsbreltenmodullerte Anordnung viele Nachteile. Erstens ist der Steuerverstärker komplizierter und teurer. Zweitens kommt es aufgrund der Schaltereigenschaft des Verstärkers zu unerwünschten Nebenwirkungen.

Aus der DE-OS 27 19 200 ist ein transistorbestückter Servomotorverstärker der eingangs genannten Art bekannt, bei dem die Widerstände aufweisende Einrichtung zum Anschließen einer Steuerspannung Im Stromkreis der Lelstungstranslstoren Differenzverstärker umfaßt, deren Ausgänge mit den Leistungstransistoren verbunden sind, und an deren Eingängen eine Steueriipannung und eine Bezugsspannung anliegen. Diese Differenzverstärker steuern jeweils zwei einander gegenüberliegende Leistungstransistoren In Abhängigkeit von der Differenz zwischen der Steuerspannung und der Bezugsspannung an, so daß die Drehbewegung des Gleichstrommotors von dieser Differenz abhängt.

Nachteilig an diesem Servomotorverstärker 1st es Insbesondere, daß außer der Steuerspannung noch eine Bezugsspannung zum Steuern erforderlich 1st und mehrere Stromversorgungsquellen für mehrere Versorgungsspannungen zum Erzeugen der Betriebsspannung des Motors mittels eines umschaltenden Betriebs durch die Differenzverstärker notwendig sind, wobei die Versorgungsspannung unter verhältnismäßig begrenztem Wirkungsgrad erhalten wird.

Aufgabe der Erfindung Ist es demgegenüber, einen Servomotorverstärker der eingangs genannten Art so auszubilden, daß er von einer einzigen Stromversorgungsquelle niedriger Spannung betrieben werden kann, und daß er an die Last eine Versorgungsspannung abgibt, die nur um die Sättlgungsspaiinungen von zwei seiner Lelstungsiranslstoren vermindert Ist, und zwar In nlchtumschalteridem, also linearem Betrieb.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Einrichtung zum Anschließen der Steuerspan-

nung eine Steuerbrücke von komplementären Treibertransistoren Ist, von denen jeder mit dem einen Ende eines gesonderten Kollektorwiderstands verbunden ist, während das andere Ende von jedem dieser Kollektorwiderstände mit dem Emitter seines zugehörigen Leistungstransistors verbunden ist, wobei eine gesonderte Verbindung zwischen der Basis von jedem Leistungstransistor und dem Kollektor seines zugehörigen Treibertransistors vorgesehen und ein Lastwldersland über die eine Diagonale der Steuerbrücke zwischen die Verbindungsstellen der Emitter jedes Paars von komplementären Treibertransistoren geschaltet ist, und wobei ferner je ein gesonderter Rückkopplungswiderstand jeweils zwischen die Verbindungsstelle der Emitter des jeweiligen Paars von komplementären Treibertransistoren und die Verbindungsstelle der Kollektoren ihrer zugehörigen Leistungstransistoren geschaltet ist, und wobei außerdem zum Zuführen der Steuerspannung je ein Anschluß an die miteinander verbundenen Basen jedes Paars von komplementären Treibertransistoren geführt ist.

Auf diese Welse wird mit der Erfindung ein Servomotorverstärker zur Verfügung gestellt, der die aufgabenmäßigen Vorteile hat und mit einer niedrigen Sättigungsspannung auskommt, also Insgesamt gegenüber dem Stand der Technik kostengünstig und in hohem Maße leistungsfähig ist und der genügend Leistung liefert, mit der es möglich 1st, Servomotoren sowohl schnell als auch genau zu betreiben.

Weiterbildungen der Erfindung sind In den Unteransprüchen angegeben.

Eine Ausführungsform der Erfindung Ist In der rinzigen Figur der beigefügten Zeichnung dargestellt.

Der Servomotor 11 Ist zwischen die Anschlüsse 12 und

13 einer Leistungsbrücke geschaltet, die pnp-Translstoren

14 und 16 aufweist, wobei jeder pnp-Translstor In Reihe mit je einem npn-Translstor 15 bzw. 17 geschaltet Ist und die beiden Reihenschaltungen parallel geschaltet sind. Der Servomotor Il bildet eine Diagonale dieser Brücke. Die Emitter der Transistoren 14 und 16 sind mit dem Anschluß 18 verbunden, während die Emitter der Transistoren 15 und 17 mit dem Abschluß 19 verbunden sind. Die Stromversorgung für die Transistoren Ist zwischen die Anschlüsse 18 und 19 gescheitet und bildet die andere Diagonale der Brücke. Die Transistoren der Ausgangsbrücke werden je durch Ihren komplementären Treibertransistor betrieben, und diese Treibertransistoren bilden selbst eine Brücke. Die Kollektoren der Treibertransistoren 2Ü und 22 sind je über einen Widerstand 24 bzw. 26 mit dem Anschluß 18 verbunden. Die Kollektoren der Treibertransistoren 21 und 23 sind je über einen Widerstand 25 bzw. 27 mit dem Anschluß 19 verbunden. Die Emitter der Transistoren 20 und 21 sind miteinander und über einen Widerstand 28 mit dem Anschluß 12 verbunden. Die Emitter der Transistoren 22 und 23 sind ebenfalls miteinander und über einen Widerstand 29 mit dem Anschluß 13 verbunden. Die Emitter der Transistoren 20 und 21 sind mit einem Ende eines Lastwlderstands 30 verbunden, dessen anderes Ende mit den Emittern der Transistoren 22 und 23 verbunden Ist. Die Basen der Ausgangstransistoren 14, 15, 16 und 17 sind jeweils ' mit dem Kollektor des zugeordneten Treibertransistors 20, 21, 22 und 23 verbunden. Die Basen der Treibertranslstoren 2(1 und 21 sind am Anschluß 31 miteinander verbunden, während die Basen der Treibertransistoren 22 und 23 am Anschluß 32 miteinander verbunden sind. ' Dioden 34 und 36 sind /wischen den Anschluß !8 und den Anschluß 12 b/v.. 13 geschaltet, und weitere Dioden 35 und 37 sind /wischen den Anschluß 19 und den Anschluß 12 bzw. 13 geschaltet.
Der Servomotorverstärker arbeitet wie löigt. Das Drehmoment des Servomotors 11 ist proportional dem Strom, der durch ihn hlndurchfließt. Die Drehrlchtung des Servomotors 11 hängt von der Richtung dieses Stroms ab. Wenn die Steuerspannung am Anschluß 31 mit Bezug auf den Anschluß 32 positiv 1st, dann dreht sich der Motor 11 in der einen Richtung, und wenn die Steuerspannung am Anschluß 32 mi! Bezug auf den κ» Anschluß 31 positiv Ist, dann dreht sich der Motor 11 in der entgegengesetzten Richtung

Der Verstärker ist so ausgebildet, daß man ein höheres Drehmoment vom Motor 11 bei einer niedrigen Betriebsspannung zwischen den Anschluß 18 bis 19 erhält, belli spielsweise bei einer Betriebsspannung von einer 12-Volt-Batterie oder von einer Sammelschiene. Ein Servomotor für eine solche Spannung hat beispielsweise einen Widerstand von etwa 1,12 Ohm zwischen den Anschlüssen. Daher beträgt der maximale Motorstrom 10 Ampere. Der 2(i minimale erforderliche bzw. spezifizierte Stromverstärkungsfaktor durch die Transistoren 14, 15, 16 und 17 bei 10 Ampere Kollektorstrom beträgt 15. Das bedeutet, daß der maximale Basisstrom, der erforderlich Ist, den Motor mit 10 Ampere zu beaufschlagen, 0,67 Ampere beträgt. r> Im Rahmen der Erfindung wurde gefunden, daß der optimale Wert des Widerstands 30, wenn er in Verbindung mit den Schaltungsbauteilen verwendet wird, die In der Tabelle welter unten angegeben sind, 7,5 Ohm beträgt. Der maximale Spannungsabfall am Widerstand 30 ist J" daher 7,5 χ 0,67 oder 5 Volt. Subtrahiert man diese Spannung von der Versorgungsspannung von 12 Volt, dann bleiben 7 Volt zur Überwindung der Spannungsabfälle der Ausgangstransistoren. Die Kollektor-zu-Emitter-Sättlgungsspannung von jedem der Ausgangstransistoren r> beträgt 0,50 Volt, so daß 11 Volt am Servomotor 11 übrig bleiben.

Die Basis-zu-Emitter-Sättlgungsspannung der Ausgangstransistoren beträgt je 1 Volt, und wenn diese Spannungen zusammen mit dem 5 Volt Spannungsabfall am ι» Widerstand 30 von der Versorgungsspannung von 12 Volt abgezogen werden, dann bleiben 5 Volt für die Kollektor-Emitter-Spannungen der Treibertransistoren oder für jeden 2,5 Volt. Die Sättigungsspannung jedes Treibertransistors 1st 1,5 Volt, so daß infolgedessen 1 Volt Im '"· Linearbereich jedes Transistors übrig bleibt. Der Baslszu-Emltter-Spannungsabfall In jedem Treiber beträgt 2,5 Volt. Die Spannung zwischen den Anschlüssen 31 und 32 Ist 10 Volt. Der minimale Stromverstärkungsfaktor, der für die Treibertransistoren erforderlich bzw. spezifl-'"' ziert Ist, beträgt 10 000, und daher beträgt der maximale Basisstrom, der zum Erzeugen eines Kollektorstroms von 0,67 Ampere erforderlich Ist, 67 Mikroampere.

Ein geeigneter Operationsverstärker zum Betreiben der Anschlüsse 31 und 32 bzw. zum Anschalten an die '■> Anschlüsse 31 und 32, wie es beispielsweise der Operationsverstärker LM 324 ist, der von der Firma National Semiconductor oder Motorola hergestellt wird, kann einen Ausgangsquellenstrom bzw. als Stromquelle einen Ausgangsstrom von bis zu 5000 Mikroampere am Anschluß 31 liefern, und zwar mit einem Spannungsabfall von 1,2 Volt, der von der Versorgungsspannung abgeht. Er kann eine Ausgangsstromsenke von bis zu 1000 Mikroampere mit einer Spannung von 0,5 Volt über Masse am Anschluß 32 bilden. Infolgedessen bleiben. '"' wenn man von der V'ersorgungsspannung von 12 Volt die Summe von 1.2 + 0,5 Volt subtrahiert, 10,3 Volt für den Operationsverstärker zum Aussteuern zwischen den Anschlüssen 31 und 32 verfügbar.

Die Widerstünde 28 und 29 sind jeweils zum Erzielen einer Spannungsrückkopplung von den Kollektoren der Ausgangstransistoren 14 und 15 zu den Basen der Trelbertranslstoren 20 und 21 und von den Kollektoren der Ausgangstransistoren 16 und 17 zu den Basen der Treibertransistoren 22 und 23 erforderlich. Die Werte dieser Widerstünde können nicht Null sein, well dann die Basisspannung der Treibertransistoren 20 und 21 zwangsweise dazu gebracht würde, den Kollektorspannungen der Ausgangstransistoren 14 und 15 zu folgen, und diese Transistoren können nie In die Sättigung ausgesteuert werden, weil der Kollektor-Emltler-Spannungsabfall von 0,5 Volt weniger als der kombinierte Basis-Emluer-Spannungsabfall von 1 Volt plus dem Kolleklor-Emitter-Spannungsabfall von 1,5 Volt bei der Sättigung des Treibertransistors wäre. Im Rahmen der Erfindung wurde gefunden, daß die optimalen Werte der Widerstünde 28 und 29 für die angegebenen Bedingungen je 50 Ohm betragen.

Bauteiltabelle

Bezugszeichen	Einrichtung bzw. Bauteil	Benennung bzw.	Herstellungsfirma
		Bemessung
24, 25, 26, 27,	Widerstand	51 Ohm
28,29
30	Widerstand	7,5 Ohm, 12 W
14, 16	pnp-Ausgangstransistor	2N4398	Motorola
15, 17	npn-Ausgangstransistor	2N531O	Motorola
20,22	npn-Darlington-Treibertransistor	D40KI	Motorola, GE
21,2.3	pnp-Darlington-Treibertransistor	D41K1	Motorola, GE
34, 35, 36, 37	Diode	MR500	Motorola
11	Servomotor	13000	Pittman

Die Widerstände 24, 25, 26 und 27 sind effektiv die jeweiligen Basisrückführungswiderstände für die Ausgangstransistoren 20, 21, 22 und 23. Der Basis-zu-Emltter-Wlderstandswert sollte so niedrig wie möglich sein, damit der Kollektor-zu-Emitter-Rest- bzw. -Verluststrom bei erhöhten Anschluß- bzw. Übergangszonentemperaturen mlnlmallslert wird, sowie klein genug, um sicherzustellen, daß der maximale Kollektorverlust- bzw. -reststrom des jeweiligen Treibertransistors 14, 15, 16 und 17 nicht In die Basis des Ausgangstransistors fließt, der mit jedem dieser Treibertransistoren verbunden Ist. Dieser maximale Verlust-.bzw. Reststrom von den Treibertransistoren, die oben In der Tabelle aufgeführt sind. Ist als 20 Mikroampere spezifiziert, und dieser Strom bewirkt einen Spannungsabfall von etwa 1 Millivolt an einem Widerstand von 51 Ohm, was ein geeigneter Wert für die Widerstände 24, 25, 26 und 27 1st. Diese Spannung reicht nicht aus, die Basls-zu-Emltter-Sperrspannung der Ausgangstransistoren zu überwinden.

Die Dioden 34, 35, 36 und 37 dienen dazu, die Ausgangstransistoren vor Gegenspannungen zu schützen, die durch die Induktanz des Ankers des Motors 11 erzeugt werden können, wenn die Steuerung dahingehend wirkt, daß sie eine schnelle Änderung des Motorstroms verursacht.

Die grundsätzlichen Vorteile des Verstärkers nach der Erfindung bestehen insbesondere darin, daß er linear Ist, d. h., daß er nlchtschaltend Ist, daß er von einer einzigen Stromversorgungsquelle niedriger Spannung betrieben werden kann, und daß er an die Last eine Versorgungsspannung abgibt, die nur um die Sättigungsspannungen von zwei seiner Ausgangstransistoren vermindert ist.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

Patentansprüche:

1. Transistorbestückter Servomotorverstärker,

umfassend eine Lelstungsbrüeke mit komplementären, kontinuierlich ansteuerbaren Leistungstransistoren (14-17), wobei die sine Diagonale der Leistungsbrücke zwischen gleichsinnigen Anschlüssen von jedem Paar der komplementären Leistungstransistoren den Brückenausgang (12, 13) bildet und eine Einrichtung (18, 19) zum Anschließen einer Gleichstromquelle an die andere Diagonale der Lelstungsbrüeke vorgesehen Ist, und wobei ferner eine Widerstände aufweisende Einrichtung (20-23, 24-29, 31, 32) zum Anschließen einer Steuerspannung Im Steuerkreis der Leistungstransistoren (14-17) vorgesehen Ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Hinrichtung (20-23, 24-29, 31, 32) zum Anschließen der Steuer-' spannung eine Steuerbrücke von komplementären Treibertransistoren (20-23) Ist, von denen jeder ml! einem Ende eines gesonderten Kollektorwiderstands (24-27) verbunden ist, während das andere Ende von jedem dieser Koliektorwlderstände (24-27) mit dem Emitter seines zugehörigen Leistungstransistors (14-17) verbunden Ist, wobei eine gesonderte Verbindung zwischen der Basis von jedem Leistungstransistor (14-17) und dem Kollektor seines zugehörigen Treibertransistors (20-23) vorgesehen und ein Lastwiderstand (30) über die eine Diagonale der Steuerbrücke zwischen die Verbindungsstellen der Emitter jedes Paars von komplementären Treibertransistoren (20-23) geschaltet Ist, und wobei ferner je ein gesonderter Rückkopplungswiderstand (28, 29) jeweils zwischen die Verbindungsstelle der Emitter des jeweiligen Paars von komplementären Treibertransistoren (20-23) und die Verbindungsstelle der Kollektoren Ihrer zugehörigen Leistungstransistoren (14-17) geschaltet 1st, und wobei außerdem zum Zuführen der .Steuerspannung je ein Anschluß (31, 32) an die miteinander verbundenen Basen jedes Paars von komple- ' mentären Treibertransistoren (20-23) geführt Ist.

2. Transistorbestückter Servomotorverstärker nach Anspruch 1, mit einem Servomotor, dadurch gekennzeichnet, daß der Widerstandswert des Lastwiderstands (30) größer als der Glelchstromwlderstandswert ' des Servomotors (11) Ist.

3. Transistorbestückter Servomotorverstärker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Widerstandswert jedes Rückkopplungswiderstands (28, 29) so eingestellt bzw. gewählt Ist, daß der Spannungsabfall an diesem Rückkopplungswiderstand (28, 29) größer als die Emltter-zu-Kollektor-Sättlgungsspannung eines der Leistungstransistoren (14-17) ist.