DE10013928C2 - Verfahren zum Schalten einer Last - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Schalten einer Last, welcher eine Schaltspannung zuführbar ist.

Darüber hinaus betrifft die Erfindung eine Schaltungsanord­ nung zur Durchführung des Verfahrens.

Aus der DE 41 32 208 C1 ist ein Verfahren und eine Vorrich­ tung zum Absichern eines Wechselstromkreises bekannt. Es sind Maßnahmen vorgesehen, die ein Einschalten einer induktivi­ tätsbehafteten Last ohne Auftreten von unerwünscht hohen Ein­ schaltströmen ermöglichen.

EP 0 618 667 B1 offenbart ein Verfahren zur Steuerung des Wechselstromes in einem Lastkreis und eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens. Ein Testprogramm ermittelt die Art der angeschlossenen Last, so dass steuerbare Halbleiter bei induktiver Last im Phasenanschnitt und bei kapazitiver und/oder ohmscher Last im Phasenabschnitt betrieben werden können.

DE 38 17 770 A1 beschreibt eine Einrichtung zur getakteten Ansteuerung eines elektromagnetischen Ventils. Es sind Maß­ nahmen vorgesehen, die einen effektiven Betrieb des elektro­ magnetischen Ventils ermöglichen.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art anzugeben, das un­ abhängig von der Art der zu schaltenden Last, sei es eine ohmsche Last, eine Lampenlast, eine kapazitive Last, eine induktive Last mit oder ohne bewegbare Teile, ein Schalten dieser Last ermöglicht. Darüber hinaus ist eine Schaltungs­ anordnung anzugeben, welche zur Durchführung des Verfahrens geeignet ist.

Eine Ausgestaltung der Erfindung gemäß den im Anspruch 2 an­ gegebenen Maßnahmen bewirkt einen geringeren Energiebedarf bei geschalteter induktiver Last mit bewegbaren Teilen und beschleunigt darüber hinaus Abschaltvorgänge.

Die Erfindung ist insbesondere in Digitalausgabeeinheiten für speicherprogrammierbare Steuerungen einsetzbar.

Anhand der Zeichnung, in der ein Ausführungsbeispiel der Er­ findung veranschaulicht ist, werden im Folgenden die Erfin­ dung, deren Ausgestaltungen sowie Vorteile näher erläutert.

Es zeigen

Fig. 1 eine Schaltungsanordnung zum Schalten einer indukti­ ven Last mit bewegbaren Teilen,

Fig. 2 eine Darstellung von Strom- und Spannungsverläufen,

Fig. 3 eine Darstellung von Schaltspannungen,

Fig. 4 eine Schaltungsanordnung zum Schalten mehrerer in­ duktiver Lasten,

Fig. 5 eine Schaltungsanordnung zum Schalten einer Last und

Fig. 6 eine weitere Darstellung von Strom- und Spannungs­ verläufen.

Wesentliche Bestandteile der Schaltungsanordnung nach Fig. 1 sind eine Sensoreinheit 1, die zur Erkennung der Änderung ei­ nes Laststromes 11 vorgesehen ist, ein steuerbarer Schalter 3 in Form eines MOSFET-Schalters und eine Spannungserzeugungs- Einheit 4. Der Spannungserzeugungs-Einheit 4 ist eine Ver­ sorgungsgleichspannung 5 zuführbar, aus welcher die Span­ nungserzeugungs-Einheit 4 in Abhängigkeit eines von der Sensoreinheit 1 erzeugten und der Spannungserzeugungs-Einheit 4 zugeführten Steuersignals 6 Schaltspannungen erzeugt. In einem praktischen Ausführungsbeispiel der Erfindung sind zwei Schaltspannungen vorgesehen, eine Maximalspannung von 48 VDC und eine Haltespannung von 16 VDC, die aus einer Versorgungs­ spannung von 24 VDC erzeugt werden.

Dem steuerbaren Schalter 3 ist über einen Steuerausgang 7 einer speicherprogrammierbaren Steuerung und über Potential trennende Mittel 8 ein Steuersignal 9 zuführbar, wobei ein aktiviertes Steuersignal 9 den Schalter 3 schließt. Dies bewirkt, dass eine Schaltspannung 10 der Last 2 zugeführt wird und der Laststrom 11 durch die Last 2 über einen Masseanschluss M abfließt. Weitere Bestandteile der Schaltungs­ anordnung wie Speicherdrossel 12, Löschglied 13 und Über­ spannungsschutzeinrichtung 14 sind für die Erfindung ohne Bedeutung und brauchen daher nicht näher erläutert zu werden.

Zur Verdeutlichung der Erfindung wird auf Fig. 2 verwiesen, in welcher Strom- und Spannungsverläufe dargestellt sind.

Zu einem Zeitpunkt T0 wird der Last 2 (Fig. 1) eine sprung­ förmige Maximalspannung Um zugeführt, die z. B. der zwei­ fachen Last-Nennspannung Un entspricht. Diese Maximalspannung Um bewirkt einen raschen Anstieg eines Laststromes I. Während eines Zeitintervalls zwischen dem Zeitpunkt T0 und einem Zeitpunkt T1 erkennt die Sensoreinheit 1 eine Stromschulter Ss im Laststromverlauf, die z. B. durch die Bewegung eines Ankers und die dadurch bewirkte Flussänderung verursacht wird. Die Sensoreinheit 1 aktiviert daraufhin das Steuer­ signal 6, wodurch die Spannungserzeugungs-Einheit 4 zum Zeitpunkt T1 die Schaltspannung von der Maximalspannung Um sprungförmig auf eine Haltespannung Uh reduziert, die in einem praktischen Ausführungsbeispiel der Erfindung zwei Drittel der Last-Nennspannung Un beträgt. Durch die erhöhte Schaltspannung Um zwischen den Zeitpunkten T0 und T1 und die reduzierte Schaltspannung Uh ab dem Zeitpunkt T1 wird einer­ seits ein schnelles Schalten der induktiven Last 2 bewirkt und andererseits der Energiebedarf während geschalteter Last 2 verringert, wobei ab einem Zeitpunkt T2 im eingeschwungenen Zustand ein Haltestrom Ih durch die Last 2 fließt. Anstatt die Schaltspannung nach dem Erfassen der Stromschul­ ter Ss auf die Haltespannung Uh zu reduzieren, kann man auch in der Art und Weise vorgehen, die Schaltspannung nach Ablauf eines vorgebbaren Zeitintervalls zu reduzieren. Das Zeit­ intervall wird entsprechend den technischen Angaben in den Datenblättern der zu schaltenden induktiven Last so gewählt, dass sichergestellt ist, dass die Stromschulter Ss innerhalb dieses vorgegebenen Zeitintervalls auftritt. Die Schaltungs­ anordnung nach Fig. 1 ist in diesem Fall dahingehend zu modifizieren, dass anstatt der Sensoreinheit 1 eine Zeit­ intervall-Überwachungseinheit vorzusehen ist. Es kann vorkommen, dass z. B. ein Anker in einer Spule nicht bewegt werden kann, da die Bewegung aufgrund einer Störung blockiert ist. In diesem Fall tritt keine Stromschulter auf und um zu verhindern, dass die Maximalspannung konstant an der Spule anliegt und die Spule dadurch beschädigt wird, ist es vorteilhaft, nach Ablauf eines vorgebbaren Zeitintervalls die Maximalspannung auf die Haltespannung zu reduzieren.

Im Folgenden wird Bezug auf Fig. 3 genommen, in der Schalt­ spannungen dargestellt sind. Dabei zeigt Fig. 3a eine Schaltspannung in Form einer Gleichspannung, wobei die Maximalspannung Um der doppelten Last-Nennspannung Un und die Haltespannung Uh zwei Drittel dieser Last-Nennspannung Un beträgt. Eine derartige Gleichspannung mit variabler Ampli­ tude erzeugt die Spannungserzeugungs-Einheit 4 (Fig. 1), die in Abhängigkeit des Steuersignals 6 die Schaltspannung vari­ iert.

Fig. 3b zeigt eine getaktete Ausführung, wobei ab einem Zeitpunkt T3 der Gleichanteil der Haltespannung von zwei Drittel der Last-Nennspannung durch eine Wechselspannung mit entsprechender Amplitude und Taktrate erzielt wird.

Eine derartige pulsierende Gleichspannung mit konstanter Amplitude und variablem Puls-Pausen-Verhältnis (Tastverhält­ nis) ist vorteilhaft als Schaltspannung in einer in Fig. 4 dargestellten Schaltungsanordnung zum Schalten mehrerer in­ duktiver Lasten mit bewegbaren Teilen einsetzbar. Der Ein­ fachheit halber ist in Fig. 4 die Ansteuerung lediglich eines Ausgangskanals gezeigt. Die in den Fig. 4 und 1 gleichen Teile sind mit gleichen Bezugszeichen versehen. Eine Spannungserzeugungs-Einheit 4' schaltet über den steuer­ baren Schalter 3 und eine Sensoreinheit 1' der induktiven Last 2 die Maximalspannung Um (Fig. 3b) zu. Für den Fall, dass die Sensoreinheit 1' eine Stromschulter erkennt und/oder ein vorgebbares Zeitintervall abgelaufen ist, schaltet die Sensoreinheit 1' einem UND-Verknüpfungsglied 16 ein Puls- Pausen-Signal 6' zu, wodurch der steuerbare Schalter 3 die Maximalspannung Um entsprechend dem Puls-Pausen-Verhältnis (Tastverhältnis) dieses Puls-Pausen-Signals zu- oder ab­ schaltet. Dieses Zu- oder Abschalten der Maximalspannung Um gemäß dem durch die Sensoreinheit vorgebbaren Tastverhältnis erzeugt einen Gleichanteil ab dem Zeitpunkt T3 (Fig. 3b), welcher der Haltespannung Uh (Fig. 3a) entspricht.

Eine Schaltungsanordnung zum Schalten einer Last, unabhängig von der Art der zu schaltenden Last, sei es eine ohmsche Last, eine kapazitive Last, eine induktive Last mit oder ohne bewegbare Teile, ist in Fig. 5 vereinfacht dargestellt. Die in den Fig. 1 und 5 gleichen Teile sind mit gleichen Be­ zugszeichen versehen. Im Unterschied zur Schaltungsanordnung nach Fig. 1 weist die Schaltungsanordnung gemäß Fig. 5 einen Zeitgenerator 15 auf, der zur Vorgabe von Auswerte- Zeitintervallen vorgesehen ist. Ein erstes Auswerte-Zeit­ intervall ist dazu vorgesehen um zu erkennen, ob die zu schaltende Last eine induktive oder eine andere Last, z. B. eine ohmsche, kapazitive oder Lampenlast, ist. Falls eine induktive Last detektiert wird, ist ein zweites Zeitintervall vorgesehen, in welchem detektierbar ist, ob die induktive Last eine induktive Last mit oder ohne bewegbare Teile ist. Der jeweilige Beginn und das jeweilige Ende der Zeitinter­ valle zeigt der Zeitgenerator 15 der Spannungserzeugungs- Einheit 4 an, die in diesen Zeitintervallen in Abhängigkeit des Steuersignals 6 der Last 2 über den Schalter 3, wie im Folgenden gezeigt wird, entsprechende Schaltspannungen zu­ führt.

Zur näheren Verdeutlichung der Funktions- und Wirkungsweise der in Fig. 5 dargestellten Schaltungsanordnung wird auf Fig. 6 verwiesen, in welcher Strom- und Spannungsverläufe dargestellt sind, wobei in Fig. 6a Spannungs- und Strom­ verläufe einer ohmschen, einer kapazitiven und einer Lampenlast zwischen einem Einschaltzeitpunkt t1 und einem Abschalt­ zeitpunkt t4, in Fig. 6b ein Spannungs- und Stromverlauf einer induktiven Last ohne bewegbare Teile zwischen diesen Zeitpunkten und in Fig. 6c ein Spannungs- und Stromverlauf einer induktiven Last mit bewegbaren Teilen zwischen diesen Zeitpunkten dargestellt sind.

Es ist angenommen, dass zu dem Zeitpunkt t1 während der Dauer eines ersten Auswerte-Zeitintervalls zwischen dem Zeitpunkt T1 und einem Zeitpunkt T2 eine erste Schaltspannung Un, die im Wesentlichen der Nennspannung der zu schaltenden Last 2 entspricht, der zu schaltenden Last 2 sprungförmig aufge­ schaltet wird. Die Sensoreinheit 1 erfasst, wie beschrieben, den Laststrom I und führt der Spannungserzeugungs-Einheit 4 ein diesem Laststrom I entsprechendes Steuersignal 6 zu. Für den Fall, dass die Sensoreinheit 1 während diesem ersten Zeitintervall einen Stromabfall oder keine Veränderung des Stroms detektiert (Fig. 6a), was darauf hinweist, dass die Last 2 eine ohmsche, eine kapazitive oder eine Lampenlast ist, schaltet die Spannungserzeugungs-Einheit 4 der Last 2 bis zum Abschaltzeitpunkt t4 weiterhin die erste Schalt­ spannung Un auf.

Für den Fall, dass die Sensoreinheit 1 einen Stromanstieg detektiert (Fig. 6b, 6c), was auf eine induktive Last hin­ weist, erhöht zunächst die Spannungserzeugungs-Einheit 4 sprungförmig oder getaktet die Schaltspannung auf eine maxi­ male Schaltspannung Um, wodurch ein schnelles Schalten der induktiven Last bewirkt wird. Um zu erkennen, ob die induk­ tive Last eine induktive Last mit bewegbaren Teilen oder eine induktive Last ohne bewegbare Teile ist, ist es erforderlich, dass während eines vorgebbaren, dem ersten Zeitintervall folgenden zweiten Zeitintervalls zwischen dem Zeitpunkt t2 und einem dritten Zeitpunkt t3 die Sensoreinheit 1 weiterhin den Laststrom erfasst. Für den Fall, dass während diesem zweiten Zeitintervall zwischen dem Zeitpunkt t2 und dem Zeit­ punkt t3 keine Laststromschulter erfasst wird, was darauf hinweist, dass die Last 2 eine induktive Last ohne bewegbare Teile ist (Fig. 6b), reduziert aufgrund des durch die Sensoreinheit 1 erzeugten Steuersignals 6 die Spannungs­ erzeugungs-Einheit 4 ab dem Zeitpunkt t3 bis zum Abschalt­ zeitpunkt t4 sprungförmig oder getaktet die Schaltspannung auf die erste Schaltspannung Un.

Für den Fall dagegen, dass die Sensoreinheit 1 eine Last­ stromschulter detektiert (Fig. 6c), was auf eine induktive Last mit bewegten Teilen hinweist, reduziert die Spannungs­ erzeugungs-Einheit 4 von dem dritten Zeitpunkt t3 bis zum Abschaltzeitpunkt t4 die Schaltspannung sprungförmig oder getaktet auf eine Haltespannung Uh, die geringer ist als die Last-Nennspannung Un, wodurch der Energieverbrauch vermindert wird.

Claims (6)

1. Verfahren zum Schalten einer Last (2), welcher eine Schaltspannung (U, Un, Um, Uh) zuführbar ist, gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte:

• a) sprungförmiges Aufschalten der Schaltspannung auf eine erste vorgebbare Spannung, die im Wesentlichen der Nenn­ spannung (Un) der zu schaltenden Last (2) entspricht,
• b) Erfassen des Laststromes (I) während eines ersten vorgeb­ baren Zeitintervalls zwischen einem ersten Zeitpunkt (t1) und einem zweiten Zeitpunkt (t2),
• c) Konstanthalten der ersten vorgebbaren Spannung (Un) bis zum Abschalten der Schaltspannung zu einem Abschalt­ zeitpunkt (t4) für den Fall, dass der Laststrom (I) im ersten Zeitintervall abfällt oder gleich bleibt,
• d) sprungförmiges oder getaktetes Erhöhen der Schaltspannung auf eine maximale Schaltspannung (Um) für den Fall, dass der Laststrom im ersten Zeitintervall ansteigt, wobei für den Fall, dass während eines vorgebbaren, dem ersten Zeit­ intervall folgenden zweiten Zeitintervalls zwischen dem zweiten Zeitpunkt (t2) und einem dritten Zeitpunkt (t3) eine Laststromschulter (Ss) erfasst wird, die Schalt­ spannung sprungförmig oder getaktet auf eine Haltespannung (Uh) von dem dritten Zeitpunkt (t3) bis zu dem Abschalt­ zeitpunkt (t4) reduziert wird, für den Fall, dass keine Laststromschulter (Ss) während des zweiten Zeitintervalls erfasst wird, die Schaltspannung sprungförmig oder ge­ taktet auf die erste Schaltspannung (Un) von dem dritten Zeitpunkt (t3) bis zu dem Abschaltzeitpunkt (t4) reduziert wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Haltespannung (Uh) geringer als die Last-Nenn­ spannung (Un) ist.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltspannung eine Gleichspannung mit variabler Amplitude oder eine pulsierende Gleichspannung mit konstanter Amplitude und variablem Puls-Pausen-Verhältnis (Tastverhält­ nis) ist.

4. Schaltungsanordnung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
mit Mitteln (1) zur Erfassung der Laststromschulter (Ss) und/oder Mitteln zur Vorgabe eines Zeitintervalls, wobei diese Mittel (1) in Reihe zur Last (2) und zu einem steuer­ baren Schalter (3) geschaltet sind,
dadurch gekennzeichnet,
dass diese Mittel (1) mit Spannungserzeugungs-Mitteln (4) verbunden sind, welche eine Schaltspannung (Un, Um, Uh) er­ zeugen, die über den steuerbaren Schalter (3) der Last (2) zuführbar ist, wobei ein Zeitgenerator (15) vorgesehen ist, der den Spannungserzeugungs-Mitteln (4) vorgibt, wie lange die jeweiligen Schaltspannungen (Un, Um, Uh) der Last (2) zuzuführen sind.

5. Digitalausgabeeinheit für eine speicherprogrammierbare Steuerung mit einer Schaltungsanordnung nach Anspruch 4, wobei durch eine CPU der speicherprogrammierbaren Steuerung dem steuerbaren Schalter (3) ein Steuersignal (6) zuführbar ist.

6. Digitalausgabeeinheit nach Anspruch 5 mit mehreren Aus­ gangskanälen, wobei an jeden Kanal
eine Last (2) über einen steuerbaren Schalter (3) und
Mittel (1) zur Erfassung der Laststromschulter (Ss) an­ schließbar sind.