Treiberschaltung für Drucker, insbesondere für Matrixdrucker der Nadel- bzw. Hammerbauart

Abstract

 Die Erfindung betrifft eine Treiberschaltung für Drucker, insbesondere für Matrixdrucker der Nadel-bzw. Hammerbauart.
Zwecks Vermeidung einer größeren Verlustleistung beim Bestromen der Treibermagnetspule (L1), die eine schädliche Erwärmung des Nadeldruckkopfes bzw. der Hammerbank bzw. der umgebenden Bauteile bzw. von elektronischen Bauteilen, wie z. B. Transistoren, zur Folge hat, und zwecks Steigerung der Grenzfrequenz bei gleichbleibender oder höherer Lebensdauer, wird der Strom an der Treiber- Magnetspule (L1) im Endbereich einer Zeit (t1) ansteigenden Stroms mittels einer Strombegrenzungsschaltung (V1, R10) auf einer vorbestimmten Höhe gehalten und ist nach einer Zeit (t2) gleichbleibender Stromstärke abschaltbar, so daß der Stromverlauf an der Treiber-Magnetspule (L1) näherungsweise ein ungleichschenkliges Trapez (35, 36, 37) bildet.
Hierbei besteht die Strombegrenzungsschaltung .(V1, R10) aus einem am Emitter (33) des Treibertransistors (T5) liegenden Referenzwiderstand (R10) und einer parallel zur Refernzwiderstand- und Basis-Emitter-Strecke liegenden Zenerdiode (V1), deren Anode an der Basis des Treibertransistors (T5) und deren Kathode am Referenzwiderstand (R10) liegen.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft eine Treiberschaltung für Drucker, insbesondere für Matrixdrucker der Nadel- bzw. Hammerbauart mit einem Drucksignale und Startsignale erzeugenden Zeichengenerator, . wobei jeweils ein Drucksignal und ein Startsignal am Signaleingang durch UND-Gatter verknüpft sind, ferner mit jeweils an die UND-Gatter angeschlossene, monostabile Kippstufen, die jeweils ein Zeitglied aufweisen und deren Ausgänge über Ansteuer-Gatter separat mit der Basis von Ansteuer-Transistoren verbunden sind, deren Emitter über Basiswiderstände jeweils an der Basis von Transistoren liegen, wobei deren Kollektor bzw. deren Emitter an Spannungsstufen schaltbar sind und wobei an einem der Transistoren die Treiber-Magnetspule für die abzuschießende Nadel bzw. für den Hammer vorgesehen ist.

[0002] Derartige Treiberschaltungen gelangen in Matrixdruckern zur Anwendung, um den mittels Elektromagnetspulen versehenen Drucknadeln oder Druckhämmern einen elektrischen Stromimpuls zeitgesteuert zu übertragen. Aufgrund des Stromimpulses werden die Drucknadeln oder die Druckhämmer abgeschossen und erzeugen auf dem ihnen gegenüberliegenden Aufzeichnungsträger (z. B. einem Papierstreifen) über das Farbband einen Punktabdruck, wobei eine große Anzahl von Punktabdrucken ein Schriftzeichen bilden. Nach dem Abschießen der Drucknadeln oder Druckhämmer wird der Aufzeichnungsträger in Richtung seiner Längserstreckung vorgeschoben, so daß entweder eine neue Zeile (Zeilendrucker) oder eine neue Serie von Punkten (Seriendrucker) geschrieben werden können. Bei Seriendruckern ist es auch üblich, den Aufzeichnungsträger innerhalb der Zeichenhöhe, d. h. innerhalb .der Zeile weiterzutransportieren. In jedem Fall ist zur Erzeugung einer hohen Zahl von Druckpunkten wichtig, eine Drucknadel oder einen Druckhammer nach einem erfolgten Abschießen sobald wie möglich erneut betätigen zu können. Diese Bestrebung stößt jedoch dann auf Schwierigkeiten, wenn die Drucknadel oder der Druckhammer etwa zeitgleich mit der - Rückkehr in die Ausgangsposition bereits erneut abgeschossen werden soll. Die mögliche Anzahl von Abschieß-Impulsen einer Drucknadel oder eines Druckhammers pro Sekunde wird als Grenzfrequenz bezeichnet.

[0003] Im Schrifttum finden sich für Nadeldruckköpfe Angaben über Grenzfrequenzen von bis zu 2000 pro Sekunde. Die physikalischen Bedingungen beim Antreiben einer Drucknadel oder eines Druckhammers gestatten jedoch bei derartig hohen Frequenzen. keineswegs, die der Elektromagnetspule zugeführte Energie vollständig in Bewegungsenergie für die Drucknadel oder für den Druckhammer umzusetzen. Vielmehr wird ein erheblicher Anteil dieser elektrischen Energie in Wärme umgewandelt, wodurch die Organe, die die Drucknadeln oder die Druckhämmer tragen, erwärmt werden und gleichzeitig ihre Umgebung mit erwärmen. Diese Erwärmung stellt nicht nur einen Energieverlust dar, sondern auch eine Beeinträchtigung aller innerhalb eines Druckkopfes oder einer Hammerbank befindlichen Elemente (z.B. von elektronischen Bauteilen, wie Transistoren) und bedingt eine geringere Lebenszeit einzelner Elemente oder des ganzen Druckkopfes bzw. der ganzen Hammerbank. In einigen Fällen -ist es auch unerläßlich, diese Verlustwärme durch besondere Maßnahmen, wie z. B. durch Zwangskühlung des Druckers, abzuführen, was jedoch den Aufwand an Konstruktionsteilen sowie die Störanfälligkeit erhöht und die Wartung des Druckers verteuert.

[0004] Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, eine übermäßige Erwärmung des Druckkopfes bzw. der Hammerbank zu vermeiden. Es ist außerdem Aufgabe der Erfindung, in höheren Frequenzbereichen (wie z. B. den Bereichen der Grenzfrequenz) der Erwärmung entgegenzuwirken, um insgesamt die Lebensdauer der im Bereich der Erwärmung befindlichen Elemente zu erhöhen und um insgesamt eine Zwangskühlung einzusparen.

[0005] Die gestellte Aufgabe wird bei der Eingangs bezeichneten Treiberschaltung dadurch gelöst, daß der Strom an der Treiber-Magnetspule im Endbereich einer Zeit ansteigenden Strom mittels einer Strombegrenzungsschaltung auf einer vorbestimmten Höhe gehalten wird und nach einer Zeit gleichbleibender Stromstärke abschaltbar ist, so daß der Stromverlauf an der Treiber-Magnetspule näherungsweise ein ungleichschenkliges Trapez bildet. Der Hauptvorteil dieser Strombegrenzung ist eine geringere Erwärmung des Druckkopfes bzw. einer Hammerbank. Die geringere Stromstärke bewirkt eine geringere Erwärmung von Natur aus und ermöglicht, die Frequenz bis an die Grenzfrequenz des mechanischen Systems der Drucknadeln bzw. der Druckhämmer zu steigern. Die Lebensdauer des Druckkopfes bzw. der Hammerbank wird deshalb bei höheren Frequenzen erhöht. Außerdem kann von einer Zwangskühlung des Druckkopfes bzw. der Hammerbank abgesehen werden.

[0006] In einer Ausgestaltungsform der Erfindung ist vorgesehen, daß die Strombegrenzungsschaltung aus einem am Emitter des Treibertransistors liegenden Referenzwiderstand und einer parallel zur Referenzwiderstand- und Basis-Emitter-Strecke liegenden Zenerdiode besteht, deren Anode an der Basis des Treibertransistors und deren Kathode am Referenzwiderstand liegen.

[0007] In einer anderen Ausgestaltungsform der Erfindung ist vorgesehen, daß die Kollektoren der Ansteuertransistoren jeweils an einer positiven Netzspannung liegen, daß ferner der Emitter des einen Ansteuertransistors über einen Vorwiderstand an die Basis des Treibertransistors und der Emitter des anderen Ansteuertransistors über einen Vorwiderstand an die Basis eines Schalttransistors geschaltet sind, wobei die Basis des Treibertransistors an einer gegenüber dem Grundpotential positiven Spannung und die Basis des Schalttransistors an einer gegenüber dem Grundpotential negativen Spannung liegen und daß die negative Spannung im Zeitpunkt, in dem - die positive Spannung die Betriebsspannung für die Treiber- Magnetspule bildet, abgeschaltet ist. Diese Maßnahme bedeutet, daß die eine Spannungsstufe nach Erreichen des Zeitpunktes, in welchem die andere Spannungsstufe für die Aufrechterhaltung des Stromes durch die Treiber-Magnetspule ausreicht, abgeschaltet wird, um den Treibertransistor nicht unnötig zu erwärmen.

[0008] Nach einem weiteren Gedanken ist vorgesehen, daß durch die Strombegrenzungsschaltung eine in der Treiber-Magnetspule aus einem vorhergegangenen Druckimpuls verbliebene Restenergie additional erfaßbar ist. Diese Maßnahme bedeutet, daß durch die Strombegrenzung der Strom in der Magnetspule den vorgegebenen Wert nicht überschreitet, auch wenn vom vorhergehenden Bestromen noch eine Restenergie gespeichert ist, die den Stromanstieg schneller erfolgen lassen würde, aber keine wesentlich höhere Verlustleistung in der Treiber-Magnetspule im Vergleich zu einer Bestromung ohne Strombegrenzung hervorruft.

[0009] Vorteilhaft ist ferner, daß die Strombegrenzungsschaltung mit Ausnahme der Elektromagnetspule auf einer Leiterplatte zusammen mit den übrigen Schaltungsgliedern in Entfernung vom Nadeldruckkopf bzw. von der Hammerbank des Matrixdruckers angeordnet sind. Eine Erwärmung aufgrund der Stromwärme im Referenzwiderstand kann somit leicht über die vorgesehene Gehäusekühlung des Druckers abgeführt werden, ohne die empfindsamen Bauteile des Nadeldruckkopfes bzw. der Hammerbank zu beeinträchtigen.

[0010] Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben. Es zeigen

Fig. 1 einen Schaltplan für die erfindungsgemäße Treiberschaltung und

Fig. 2 das mit der Treiberschaltung erzielbare Stromverlaufsdiagramm in Abhängigkeit der Zeit.

Fig. 3 ein Stromverlaufsdiagramm in Abhängigkeit der Zeit in einer Gegenüberstellung von Strombegrenzung und Restenergie,

Fig. 4 ein Stromverlaufsdiagramm in Abhängigkeit der Zeit mit einer Gegenüberstellung von fehlender Strombegrenzung mit Restenergie und einem Stromverlaufsdiagramm ohne Strombegrenzung und ohne Restenergie.

[0011] Der Druckimpuls la für eine Nadel oder einen Hammer wird über die Leitung 1 in der UND-Gatter-Schaltung, bestehend aus den Gattern G1 und G2, dem Eingang 13 des Gatters G1 zugeführt, wobei die Leitung 1 über die Leitung 2 mit dem Eingang 9 des Gatters G2 verbunden ist. Gleichzeitig erfolgt die Eingabe des Startsignals 3a über die Leitung 4 auf den Eingang 10 des Gatters G2, wobei die Verknüpfung über die Leitung 5 mit dem Eingang 12 des Gatters Gl ausgeführt ist. Die beiden Gatter G1 und G2 starten die Signale jeweils zu einem gleichen Zeitpunkt. Der Druckimpuls la und das Startsignal 3a werden den monostabilen Kippstufen Tl und T2 zugeführt, wozu das Gatter G1 am Ausgang 11 mit dem Eingang 14 der Kippstufe Tl verbunden ist und das Gatter G2 am Ausgang 8 mit dem Eingang 15 der Kippstufe T2 liegt.

[0012] Die in die Kippstufen Tl und T2 integrierten Zeitglieder R1/C1 bzw. R2/C2 liegen mit ihrer Zuleitung 16 bzw. 17 jeweils an der Versorgungsspannung für die Kippstufen Tl bzw. T2 und sind an die Eingänge 6,7 (Kippstufe Tl) bzw. 6a, 7a (Kippstufe T2) geschaltet.

[0013] Die Eingänge B und Cl (clear) liegen jeweils an einer festen Spannung (von z. B. 5 Volt). Die Ausgänge Q-Strich sind nicht beschaltet. An die Ausgänge Q.der Kippstufen Tl und T2 sind die Ansteuergatter G3 bzw. G4 (als Negationsbausteine ausgeführt) geschaltet, um die Anpassung der vorausgehenden 5-Volt-Logik an die nachfolgende Betriebsspannung durchzuführen. Die Ansteuer- gatter G3 bzw. G4 stellen eine "open-collector-Schaltung" dar, was bedeutet, daß bei einer Transistorstufe der Kollektorkreis offen ist. Der Kollektor dieses Ausgangstransistors ist über den außerhalb des IC's angeschlossenen Widerstand R1 mit der Betriebsspannung verbunden. Das Ausgangssignal der "open-collector-Schaltung" zeigt dann ein "activ-low-Verhalten", d. h. nur bei dem Gatter, dessen Ausgang ein Signal abgibt, wird der Ausgangstransistor stromführend, und dadurch wird der betreffende Punkt auf Massepotential gelegt.

[0014] Die Ausgänge Q der Kippstufen Tl bzw. T2 erzeugen die mit 18 bzw. 19 bezeichneten Signale entsprechender Zeitlänge (das Signal 18 ist zeitlänger als das Signal 19).

[0015] Weiterhin sind die Eingänge 20 und 21 dieser Ansteuergatter G3 bzw. G4 beschaltet. An den Ausgängen 22 und 23 liegen die Vorwiderstände R3 bzw. R4 für die Basisspannung der Ansteuertransistoren T3 bzw. T4. Der Kollektor 24 des Ansteuertransistors T3 und der Kollektor 25 des Ansteuertransistors T4 liegen an der positiven Netzspannung +U-Netz (von z. B. plus 18 Volt), die durch die Phasenleitung 26 zugeführt wird. Die Basis des Ansteuertransistors T3 bzw. die Basis für den Ansteuertransistor T4 wird jeweils über die Spannungsteiler-Widerstände R5 bzw. R6 auf die gewünschte Basisspannung stabilisiert. Der Emitter 27 ist über den Vorwiderstand R7 an die Basis des Treibertransistors T5 und der Emitter 28 über den Vorwiderstand R8 an die Basis des Schalttransistors T6 (vom Typ NPN-Transistor) geschaltet. Basis und Emitter 29 des _Schalttransistors T6 liegen außerdem über den Spannungsteiler-Widerstand R9 an einer gegenüber dem Grundpotential 30 negativen Betriebsspannung minus U-Netz (von z. B. minus 36 Volt) an.

[0016] Der Kollektor 31 des Schalttransistors T6 bzw. der Kollektor 32 des Treibertransistors T5 sind an das positive Betriebsspannungspotential (d. h. z. B. an plus 18 Volt) gelegt. Hierbei ist zwischen dem Kollektor 31 und dem Emitter 33 der Referenzwiderstand R10 eingeschaltet und zwischen diesen und dem Kollektor 31 des Schalttransistors T6 eine Diode V2 geschaltet, die mit dem Grundpotential 30 verbunden ist. Außerdem ist an den Kollektor 31 des Schalttransistors T6 bzw. an den Referenzwiderstand R10 und die Diode V2 die Zenerdiode V1 geschaltet. Die Zenerdiode V1 und der Referenzwiderstand R10 bilden zusammen eine Strombegrenzungsschaltung, wobei der Referenzwiderstand R10 an den Emitter 33 des Treibertransistors T5 geschaltet ist und die Zenerdiode V1 parallel zur Referenzwiderstand-Emitter-Strecke liegt.

[0017] Zu Beginn eines Zyklus', in dem eine Nadel oder ein Hammer abgeschossen wird, sind beide Gatter G3 und G4 aufgesteuert, wodurch die Ansteuertransistoren T3 und T4 durchgeschaltet werden. In diesem Zeitabschnitt fließt ein Strom vom positiven Potential (plus 18 Volt) über die Leitung 26 und den Ansteuertransistor T4, den Vorwiderstand R8 zur Basis des Schalttransistors T6 und den Spannungsteiler-Widerstand R9 zum negativen Potential (minus 36 Volt) sowie über den Ansteuertransistor T3 und den Vorwiderstand R7 zur Basis des Treiber-Transistors T5, so daß der Stromanstieg in der Treiber-Magnetspule Ll unter erhöhter Spannung (54 Volt) beginnt. In Fig. 2 ist dieser steile Stromanstieg innerhalb der Zeit tl durch die Flanke 35 dargestellt. Damit fließt auch ein Strom in dem durchgeschalteten Treibertransistor T5 und in dem Schalttransistor T6. Der hierbei ansteigende Strom wird jedoch in der Zenerdiode V1 durch den Referenzwiderstand R10 begrenzt, so daß der Stromverlauf für einen Zeitabschnitt 36 sehr exakt gleichbleibend verläuft (Fig. 2), wobei die Betriebsspannung nach Erreichen des Zeitwerts t3 auf einen niedrigeren Wert (plus 18 Volt) geschaltet wird. In diesem Zeitabschnitt fließt daher nur noch ein Strom vom positiven Potential (plus 18 Volt) durch die Treiber-Magnetspule L1 über den Treibertransistor T5 und den Referenzwiderstand R10 durch die Diode V2 nach dem Grundpotential 30. Der Druckimpuls la fällt nach der vorbestimmten Zeit t2 ab und die Stromstärke sinkt entsprechend der Flanke 37 (Fig. 2) bis auf Null ab. Nunmehr kann bereits der nächste Druckimpuls la eingeleitet werden. Die Druckimpulse nehmen in einem praktischen Ausführungsbeispiel eine Zeit t2 von ca. 200 msec ein, wobei der Zeitabschnitt tl für den ansteigenden Strom in der Elektromagnetspule L1 ca. 100 msec beträgt.

[0018] In Fig. 3 ist der Stromverlauf an der ansteigenden Flanke 35 mit Strombegrenzung und mit von einem vorangegangenen Druckimpuls la zurückgebliebener Restenergie in der Treiber-Magnetspule L1 dargestellt. Die abfallende Flanke 37 ergibt sich durch die Strombegrenzung ohne Restenergie.

[0019] Gemäß Fig. 4 bildet die äußere Kurve 38 einen Stromverlauf ohne Strombegrenzung mit Restenergie und der innere Verlauf der Stromkurve 39 den theoretisch zu erzielenden Stromverlauf ohne Strombegrenzung und ohne Restenergie. Daran wird deutlich, daß die Stromverlaufskurve in Fig. 3 einen wesentlich geringeren Energieverlust (gekennzeichnet durch die dortige Schraffur) ergibt als die in Fig. 4 dargestellte (ebenfalls schraffierte) Fläche gemäß dem Stromverlauf ohne Strombegrenzung mit Restenergie der Treiber- Magnetspule Ll. Demzufolge überschreitet aufgrund der Strombegrenzung der Strom in der Treiber-Magnetspule L1 den vorgegebenen Wert nicht, auch wenn vom vorhergehenden Bestromen noch Restenergie gespeichert ist, die den Stromanstieg schneller erfolgen lassen würde. Die in Fig. 3 schraffierte Fläche ergibt demzufolge keine wesentlich höhere Verlustleistung in der Treiber- Magnetspule L1 im Vergleich zu einer Bestromung ohne Strombegrenzung gemäß Fig. 4. Die jeweils schraffierten Flächen in den Fig. 3 und 4 stellen die Verlustleistung dar, die innerhalb der Bauteile in Wärme umgesetzt wird und von der ein Anteil auch zur Erwärmung der Transistoren führen kann.

Ansprüche

1. Treiberschaltung für Drucker, insbesondere für Matrixdrucker der Nadel- bzw. Hammerbauart, mit einem Drucksignale und Startsignale erzeugenden Zeichengenerator, wobei jeweils ein Drucksignal und ein Startsignal am Signaleingang durch UND-Gatter verknüpft sind, ferner mit jeweils an die UND-Gatter angeschlossene, monostabile Kippstufen, die jeweils ein Zeitglied aufweisen und deren Ausgänge über Ansteuer-Gatter separat mit der Basis von Ansteuer- Transistoren verbunden sind, deren Emitter über Basiswiderstände jeweils an der Basis von Transistoren liegen, wobei deren Kollektor bzw. deren Emitter an Spannungsstufen schaltbar sind und wobei an einem der Transistoren die Treiber-Magnetspule für die abzuschießende Nadel bzw. den Hammer vorgesehen ist,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Strom an der Treiber-Magnetspule (Ll) im Endbereich einer Zeit (tl) ansteigenden Stroms mittels einer Strombegrenzungsschaltung (Vl,R10) auf einer vorbestimmten Höhe gehalten wird und nach einer Zeit (t2) gleichbleibender Stromstärke abschaltbar ist, so daß der Stromverlauf an der Treiber-Magnetspule (Ll) näherungsweise ein ungleichschenkliges Trapez (35,36,37) bildet.

2. Treiberschaltung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Strombegrenzungsschaltung (Vl,R10) aus einem am Emitter (33) des Treibertransistors (T5) liegenden Referenzwiderstand (R10) und einer parallel zur Referenzwiderstand- und Basis-Emitter-Strecke liegenden Zenerdiode (VI) besteht, deren Anode an der Basis des Treibertransistors (T5) und deren Kathode am Referenzwiderstand (R10) liegen.

3. Treiberschaltung nach den Ansprüchen 1 und 2,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Kollektoren (24,25) der Ansteuertransistoren (T3,T4) jeweils an einer positiven Netzspannung (+U) liegen, daß ferner der Emitter (27) des einen Ansteuertransistors (T3) über einen Vorwiderstand (R7) an die Basis des Treibertransistors (T5) und der Emitter (28) des anderen Ansteuertransistors (T4) über einen Vorwiderstand (R8) an die Basis eines Schalttransistors (T6) geschaltet sind, wobei die Basis des Treibertransistors (T5) an einer gegenüber dem Grundpotential positiven Spannung (+U-Netz) und die Basis des Schalttransistors (T5) an einer gegenüber dem Grundpotential negativen Spannung (-U-Netz) liegen und daß die negative Spannung im Zeitpunkt (t3), in dem die positive Spannung (+U-Netz) die Betriebsspannung für die Treiber-Magnetspule (L1) bildet, abgeschaltet ist.

4. Treiberschaltung nach den Ansprüchen 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet,
daß durch die Strombegrenzungsschaltung (V1, R10) eine in der Treiber-Magnetspule (L1) aus einem vorhergegangenen Druckimpuls (la) verbliebene Restenergie additional erfaßbar ist.

5. Treiberschaltung nach den Ansprüchen 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Strombegrenzungsschaltung (Vl, R10) mit Ausnahme der Treiber-Magnetspule (L1) auf einer Leiterplatte zusammen mit den übrigen Schaltungsgliedern in Entfernung vom Nadeldruckkopf bzw. in Entfernung von der Hammerbank des Matrixdruckers angeordnet sind.

Zeichnung