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Pulssteller für Gleichstrommotoren

Der Aufbau

Der Pulssteller wandelt die Zwischenkreisspannung in eine pulsierende Ausgangsspannung um. Er besteht aus 4 Transistoren und 4 Freilaufdioden. Jeweils zwei Transistoren sind in Reihe geschaltet. Parallel zu jedem Transistor ist eine Freilaufdiode angeordnet. Sie weist jeweils die entgegengesetzte Stromflussrichtung des zugehörigen Transistors auf.
Jeweils 2 Transistoren und 2 Dioden bilden einen Brückenzweig. Zwischen den Brückenzweigen ist der Gleichstrommotor angeschlossen.

 

Die Ausgangsspannung

Die Transistoren werden "über Kreuz" angesteuert. Das heißt, abwechselnd sind entweder Transistor T1 und T4 oder Transistor T3 und T2 eingeschaltet. An den Klemmen des Gleichstrommotors liegt damit entweder die positive oder die negative Zwischenkreisspannung an.

Pulssteller arbeiten zyklisch. Sie schalten mit einer festen Frequenz fortlaufend die positive und negative Zwischenkreisspannung an die Motorklemmen. Aus Sicht des Motors erzeugen sie damit eine pulsierende Ausgangsspannung. Aufgrund der hohen Schaltfrequenz (größer 2 kHz) ist jedoch nur der Mittelwert der Ausgangsspannung wirksam. Dieser wird durch die relative Einschaltdauer der Transistorpaare T1-T4 und T3-T2 bestimmt. Durch unterschiedlich lange Einschaltzeiten des einen oder anderen Transistorpaares kann die mittlere Ausgangsspannung beliebig variiert werden. Für sie gilt:

Mittelwert der Ausgangsspannung				(Einschaltdauer T1-T4) - (Einschaltdauer T3-T2)
	=	Zwischenkreis- spannung	*
				Zykluszeit

Das beschriebene Verfahren wird als Pulsbreitenmodulation bezeichnet, da über die Einschaltdauer die Breite eines Spannungsimpulses bestimmt wird.

Nachfolgendes Bild zeigt beispielhaft einige Spannungsverläufe und die angesteuerten Transistoren.

Die Schaltzeiten für die Transistorpaare T1-T4 und T3-T2 werden von der Signalelektronik so berechnet, dass der Mittelwert der Ausgangsspannung im betreffenden Zyklus dem von der Stromregelung vorgegebenen Spannungssollwert entspricht.

 

Der Ausgangsstrom

Der Ausgangsstrom des Pulsstellers fließt durch die Wicklungen des angeschlossenen Gleichstrommotors. Er ist innerhalb eines Schaltzustandes der Transistoren näherungsweise linear, steigt oder fällt jedoch in Abhängigkeit davon, ob an den Motorklemmen im Augenblick die positive oder negative Zwischenkreisspannung wirksam ist. An den Umschaltzeitpunkten treten aufgrund der vorhandenen Motorinduktivität keine Sprünge im Stromverlauf auf. Das heißt, dass obwohl die Polarität der Klemmenspannung umgedreht wurde, ändert der Motorstrom seine Polarität nicht sondern fließt in seiner bisherigen Richtung weiter. Die treibende Spannung entsteht durch Selbstinduktion in der Motorinduktivität. Sie erzwingt, dass der Strom in seiner bisherigen Richtung weiterfließt.
Als Pfad stehen dem Motorstrom in diesem Fall nur die Freilaufdioden zur Verfügung, da die bis dahin stromführenden Transistoren jetzt gesperrt sind und die neu eingeschalteten Transistoren den Strom in der aktuellen Fließrichtung nicht führen können. Freilaufdioden sind damit für die Funktion des Pulsstellers unbedingt erforderlich. Ohne Freilaufdioden würde die in der Motorinduktivität induzierte Spannung extrem stark ansteigen und zur Zerstörung der Transistoren führen.

Beispiel:

• Die Transistoren T1 und T4 sind durchgesteuert. Es fließt ein positiver Motorstrom
• Die Transistoren T1 und T4 werden gesperrt und T3 und T2 werden durchgesteuert. Der Motorstrom fließt jetzt durch die Freilaufdioden D3 und D2, da die Transistoren T3 und T2 keine positiven Ströme führen können (linkes Diagramm).
• Ist der Motorstrom bis auf 0 abgeklungen und kehrt es seine Fließrichtung um, übernehmen die Transistoren T3 und T2 den Stromfluss, der nun in negativer Richtung erfolgt (mittleres Diagramm).

 

Drehmoment und Dynamik

Die von Pulsstellern bereitgestellte Ausgangsspannung besteht aus einer Folge von positiven und negativen Spannungsimpulsen. Wird der Pulssteller mit einer hohen Pulsfrequenz betrieben, machen sich diese jedoch nur geringfügig im Ankerstrom des angeschlossenen Motors und im abgegebenen Drehmoment bemerkbar.

Die Signalelektronik hat die Möglichkeit, zu jedem Zyklus die Einschaltzeiten der Transistoren zu verändern und damit die Ankerspannung des Gleichstrommotors zu verstellen. Bei hohen Pulsfrequenzen und kurzen Zykluszeiten kann die Signalelektronik den Ankerstrom sehr dynamisch regeln. Daraus ergeben sich Anregelzeiten für den Ankerstrom und damit das Drehmoment des angeschlossenen Motors von teilweise weniger als 1 ms. Damit sind Pulssteller für Anwendungen mit hohen dynamischen Anforderungen sehr gut geeignet.