DE10026938A1 - Schaltungsanordnung zur Versorgung einer elektrischen Spule mit einem vorbestimmten Betriebsstrom - Google Patents

Abstract

Bei einer Schaltungsanordnung zur Versorgung einer elektrischen Spule (L), insbesondere der eines Magnetventils, mit einem vorbestimmten Betriebsstrom bei unterschiedlichen Betriebsspannungen (Ub) liegt die Spule (L) in Reihe mit einem Schaltelement (T2) und einem Stromfühler (R), dessen Meßsignal durch einen Komparator (1) mit einem Bezugswert (U¶ref¶) verglichen wird. Durch das Ausgangssignal (A) des Komparators (1) ist bei Überschreitung des Bezugswerts durch das Meßsignal ein Zeitschalter (2) auslösbar, durch dessen Ausgangssignal das durch ein Betriebssignal (M) eingeschaltete Schaltelement (T2) ausschaltbar ist, bis das Meßsignal den Bezugswert erneut überschreitet. Um zu erreichen, daß die Anstiegsdauer (t1) des Betriebsstroms (I) nach dem Einschalten des Betriebsstroms durch das Betriebssignal (M) bis zum Erreichen des Bezugswerts unabhängig von der Wahl der Größe der Betriebsspannung ist, wird das Meßsignal des Stromfühlers (R) durch einen zweiten Komparator (4) mit einem mit konstanter Geschwindigkeit linear ansteigenden Signal (U¶c¶) verglichen, das ebenfalls durch das Betriebssignal (M) auslösbar ist, und der Zeitschalter (2) durch das Ausgangssignal (B) des zweiten Komparators (4) ausgelöst, wenn das Meßsignal das linear ansteigende Signal (U¶c¶) überschreitet, bevor das Meßsignal den Bezugswert (U¶ref¶) überschreitet.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltungsanordnung zur Versorgung einer elektrischen Spule, insbesondere der Spule eines Magnetventils, mit einem vorbestimmten Betriebsstrom aus einer Spannungsquelle mit unter­ schiedlichen Betriebsspannungen, bei der die Spule in Reihe mit einem ersten steuerbaren Schaltelement und einem Stromfühler liegt und das Meßsignal des Stromfüh­ lers durch einen ersten Komparator mit einem Bezugswert verglichen wird und durch das Ausgangssignal des Kompa­ rators bei Überschreitung des Bezugswerts durch das Meßsignal ein Zeitschalter auslösbar ist, durch dessen Ausgangssignal das durch ein Betriebssignal eingeschal­ tete erste Schaltelement ausschaltbar ist, bis das Meß­ signal den Bezugswert erneut überschreitet.

Eine im Handel erhältlich Schaltungsanordnung dieser Art hat den in Fig. 3 dargestellten Aufbau. Sie dient dazu, die Magnetspule eines Magnetventils mit unterschiedlichen Betriebsspannungen, z. B. mit 12 Volt oder 24 Volt, bei gleichem Betriebsstrom betreiben zu kön­ nen, da es nicht immer möglich ist, die gleiche Spule über einen größeren Betriebsspannungsbereich von bei­ spielsweise 9 bis 32 Volt zu betreiben: Die abgegebene Leistung bei hoher Betriebsspannung könnte zu groß sein (sie steigt mit dem Quadrat der Spannung). Um die glei­ che Spule in einem größeren Spannungsbereich von bei­ spielsweise 9 bis 32 Volt verwenden zu können, so daß die Verwendung unterschiedlicher Spulen für die ver­ schiedenen Betriebsspannungen vermieden werden kann, wird durch die bekannte Schaltungsanordnung der durch die Spule L fließende Strom unabhängig von der jeweili­ gen Betriebsspannung U_b konstant gehalten. Zu diesem Zweck liegt in Reihe mit der Spule L ein als Schaltele­ ment betriebener Transistor T2 und ein Stromfühler in Form eines Meßwiderstands R. Das Strommeßsignal in Form des durch den Strom I am Widerstand R hervorgerufenen Spannungsabfalls wird durch einen Komparator 1 mit ei­ nem annähernd den Sollwert des Stroms bildenden Bezugs­ wert Uref verglichen. Das bei Überschreitung des Be­ zugswerts durch das Strommeßsignal am Ausgang des Kom­ parators 1 auftretende Ausgangssignal A löst einen Zeitschalter in Form eines monostabilen Multivibrators 2 aus, dessen Ausgangssignal mit einem Betriebssignal M durch ein UND-Glied 3 verknüpft wird. Der Ausgang des UND-Glieds 3 ist mit dem Steueranschluß des Transistors T2 verbunden. Das Betriebssignal M tritt auf, solange das Magnetventil in Betrieb gesetzt werden soll, d. h. der Strom I fließen soll. Vor Betriebsbeginn liegt mit­ hin das Strommeßsignal unterhalb des Bezugswerts Uref, so daß am umkehrenden Ausgang des Multivibrators 2 ein hohes Signal auftritt und der Transistor T2 durchge­ schaltet wird. Sobald der daraufhin nach einer Exponen­ tialfunktion ansteigende Strom I den Bezugswert überschreitet, tritt am Ausgang des Komparators 1 ein hohes Signal A auf, das den monostabilen Multivibrator 2 aus­ löst und den Transistor T2 über das UND-Glied 3 aus­ schaltet (sperrt).

Die in Fig. 4 dargestellten Diagramme veranschaulichen die Wirkungsweise der Schaltungsanordnung nach Fig. 3. Solange das Betriebssignal M andauert, fließt der Strom I. Während der Zeit t1 steigt er exponentiell bis zum Erreichen eines Spitzenwertes Ip an, bei dem der Be­ zugswert Uref überschritten wird. Das dadurch ausgelö­ ste Signal A des Komparators 1 sperrt sofort wieder den Transistor T2. Der Strom I in der Spule L fließt jedoch über eine Freilaufdiode D₁ und einen antiparallel zur Spule L und einer Z-Diode DZ1 geschalteten Transistor T1 weiter, der ebenfalls während der Dauer des hohen Betriebssignals M eingeschaltet (durchgesteuert) wird. Dabei nimmt der Strom I jedoch ebenfalls nach einer Ex­ ponentialfunktion während der Ausschaltdauer t_aus des Transistors T2 sofort nach dem Verschwinden des Aus­ gangssignals A ab. Der durch das Verschwinden des Aus­ gangssignals A sofort wieder ausgelöste monostabile Multivibrator 2 schaltet nach der durch seine Laufzeit bestimmten Ausschaltdauer t_aus des Transistors T2 den Transistor 2 sofort wieder ein. Danach wiederholt sich der geschilderte Vorgang solange, bis das Betriebs­ signal M verschwindet. Am Ende des Betriebssignals M werden beide Transistoren T1 und T2 ausgeschaltet, wo­ nach der Strom I über die Freilaufdiode D1 und die Z- Diode DZ1 fließt und sehr rasch verschwindet.

Der Ist-Wert des Stroms I liegt dann nur geringfügig unterhalb des Spitzenwertes Ip = Uref/R und entspricht dem Mittelwert des etwa sägezahnförmigen Verlaufs des Stroms I in Fig. 4.

Die Anstiegszeit des Stroms I hängt jedoch von der Höhe der Betriebsspannung Ub ab. Da die Anstiegszeit t1 die Ansprechgeschwindigkeit des Magnetventils bestimmt, hängt die Funktion des Magnetventils ebenfalls von der Höhe der Betriebsspannung ab.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Schaltungsanordnung der eingangs genannten Art anzuge­ ben, bei der die Anstiegsgeschwindigkeit des durch die Spule nach Betriebsbeginn fließenden Stroms unabhängig von der Betriebsspannung ist.

Erfindungsgemäß ist diese Aufgabe dadurch gelöst, daß das Meßsignal des Stromfühlers durch einen zweiten Kom­ parator mit einem unabhängig von einer Änderung der Be­ triebsspannung nach einer vorbestimmten Funktion stetig ansteigendem Signal verglichen wird, das ebenfalls durch das Betriebssignal auslösbar ist, und daß der Zeitschalter durch das Ausgangssignal des zweiten Kom­ parators auslösbar ist, wenn das Meßsignal das stetig ansteigende Signal überschreitet, bevor das Meßsignal den Bezugswert überschreitet.

Bei dieser Lösung ist die Anstiegszeit des Spulenstroms unmittelbar nach Betriebsbeginn bis zum Erreichen des Bezugswerts durch eine konstante Anstiegszeit des ste­ tig ansteigenden Signals bestimmt und ist daher kon­ stant.

Bei dem stetig ansteigenden Signal kann es sich auf einfache Weise um das Ausgangssignal eines Integrators mit konstantem Eingangssignal handeln.

So kann der Integrator einen Kondensator am Ausgang ei­ nes Konstantstromgeneratos aufweisen.

Parallel zum Kondensator kann ein zweites Schaltelement liegen, daß beim Auftreten des Betriebssignals aus­ schaltbar ist, und umgekehrt.

Ferner kann dafür gesorgt sein, daß die Ausgänge der Komparatoren über ein ODER-Glied mit dem Eingang des Zeitschalters verbunden sind und das Ausgangssignal des Zeitschalters mit dem Betriebssignal durch ein UND- Glied verknüpft ist, dessen Ausgang mit einem Steueran­ schluß des Schaltelements verbunden ist.

Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachstehend anhand der Fig. 1 und 2 näher beschrie­ ben.

Die Fig. 3 und 4 stellen den Aufbau und die Funktion der bekannten Schaltungsanordnung dar.

Das in Fig. 1 dargestellte Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung unterscheidet sich von der bekannten Schaltungsanordnung nach Fig. 3 dadurch, daß das Meßsignal des als ohmscher Widerstand R ausgebildeten Stromfühlers durch einen zweiten Kompa­ rator 4 mit einem unabhängig von einer Änderung der Be­ triebsspannung U_b stetig nach einer vorbestimmten Funk­ tion, hier mit konstanter Geschwindigkeit, d. h. linear ansteigenden Signal Uc verglichen wird, das ebenfalls durch das Betriebssignal M auslösbar ist, und daß der als monostabiler Multivibrator ausgebildete Zeitschal­ ter 2 durch das Ausgangssignal B des zweiten Kompara­ tors 4 auslösbar ist, wenn das Meßsignal, der Span­ nungsabfall I × R, das linear ansteigende Signal Uc überschreitet, bevor das Meßsignal den Bezugswert Uref überschreitet. Der Komparator 4 vergleicht mithin das seinem nicht umkehrenden Eingang (+) zugeführte Meßsi­ gnal mit dem linear ansteigenden Signal Uc, und die Ausgänge beider Komparatoren 1, 4 sind über ein ODER- Glied 5 mit dem Eingang des Zeitschalters 2 verbunden, dessen an einem invertierenden Ausgang auftretendes Ausgangssignal mit dem Betriebssignal M wiederum durch das UND-Glied 3 verknüpft wird, wobei dessen Ausgang wiederum mit dem Steueranschluß des als Transistor aus­ gebildeten Schaltelements T2 verbunden ist.

Das linear ansteigende Signal Uc ist das Ausgangssignal eines durch einen Kondensator C gebildeten Integrators, dem ein konstantes Eingangssignal durch einen Konstant­ stromgenerator 6 in Form eines den Kondensator C aufla­ denden Stroms zugeführt wird. Parallel zu dem Kondensa­ tor C liegt ein weiteres Schaltelement T3 in Form eines Transistors, das beim Auftreten des Betriebssignals M über einen Umkehrverstärker oder ein NICHT-Glied 7 aus­ schaltbar ist, und umgekehrt.

Bevor mithin das Betriebssignal M auftritt, ist das Schaltelement T2 ausgeschaltet, weil seinem Steueran­ schluß durch das UND-Glied 3 ein niedriges Signal zuge­ führt wird. Dementsprechend fließt durch die Spule L kein Strom I, so daß auch das Meßsignal niedrig (null) und die Ausgangssignale A und B der Komparatoren 1 und 4 niedrig sind. Das Ausgangssignal des Umkehrverstär­ kers 7 ist dagegen hoch, so daß das Schaltelement T3 eingeschaltet (durchgesteuert) ist. Das Eingangssignal des Integrators C ist mithin ebenfalls niedrig, weil der Ausgang des Stromgenerators 6 kurzgeschlossen ist. Das in dieser Phase niedrige Ausgangssignal des ODER- Glieds 5 ergibt ein hohes Ausgangssignal des Zeitschalters 2. Dennoch ist bis zum Auftreten des Betriebs­ signals M das Ausgangssignal des UND-Glieds 3 und mit­ hin das Steuersignal am Steueranschluß des Schaltele­ ments T2 weiterhin niedrig. Auch das als Transistor ausgebildete Schaltelement T1 ist ausgeschaltet.

Wenn jetzt das Betriebssignal M auftritt, um das Ma­ gnetventil einzuschalten, werden die Schaltelemente T1 und T2 eingeschaltet und das Schaltelement T3 ausge­ schaltet. Daraufhin beginnt der Strom I durch die Spule L zu fließen und nach einer e-Funktion anzusteigen. Desgleichen steigt das Signal Uc (die Spannung) am Kon­ densator C linear an, weil er nunmehr durch den kon­ stanten Ausgangsstrom des Konstantstromgenerators 6 li­ near aufgeladen wird. Die Ausgangssignale beider Kompe­ ratoren A und B bleiben jedoch zunächst weiterhin nied­ rig und mithin das Ausgangssignal des Zeitschalters 2 hoch. Sobald das Strommeßsignal dann erstmals das li­ neare Signal Uc überschreitet, erzeugt der Komparator 4 ein hohes Ausgangssignal B. Dadurch wird die Laufzeit des zeitschalters 2 ausgelöst, während der sein Aus­ gangssignal niedrig ist, so daß das Schaltelement T2 bei dem ersten hohen Ausgangssignal B des Komparators 4 wieder ausgeschaltet wird. Der Strom I fließt dagegen über die Freilaufdiode D1 und das Schaltelement T1 weiter. Dabei nimmt er jedoch ab, wie es in dem Dia­ gramm für den Verlauf des Stroms I dargestellt ist. Im selben Augenblick, in dem das Schaltelement T2 ausge­ schaltet wird, geht dagegen das Strommeßsignal auf null zurück. Am Ausgang des Komparators 4 tritt daher nur ein kurzzeitiger Nadelimpuls als Ausgangssignal B auf. Wenn die Laufzeit des Zeitschalters 2 abgelaufen ist, geht sein Ausgangssignal wieder hoch, so daß das Schal­ telement T2 wieder eingeschaltet wird. Dieser Vorgang wiederholt sich, bis der Strom I den Spitzenwert Ip erreicht, bei dem das Strommeßsignal IR den Bezugswert Uref überschreitet. In diesem Augenblick geht auch das Ausgangssignal A des Komparators 1 hoch, so daß der Zeitschalter 2 wieder ausgelöst wird, der das Schalte­ lement T2 während seiner Laufzeit für die Dauer t_aus ausschaltet. Danach hält sich der Mittelwert des durch die Spule L fließenden Stroms I geringfügig unterhalb des Spitzenwerts Ip.

Wenn das Betriebssignal M wieder ausgeschaltet wird, werden die Schaltelemente T1 und T2 ausgeschaltet und das Schaltelement T3 wieder eingeschaltet. Der Spulen­ strom fließt dann über die Freilaufdiode D1 und die Z- Diode DZ1 zwar weiter, nimmt jedoch sehr rasch auf null ab.

Die mittlere Anstiegsgeschwindigkeit des Stroms I wäh­ rend der Zeit bis zum Erreichen des Bezugswerts Uref bzw. des Spitzenstroms Ip ist jedoch proportional der Anstiegsgeschwindigkeit des Signals Uc und damit kon­ stant, so daß auch die Anstiegsdauer t1 des Stroms I konstant und unabhängig von der Betriebsspannung Ub ist. Dementsprechend ist auch die Ansprechgeschwindig­ keit des Magnetventils mit der Spule L bis zum Errei­ chen des geringfügig unterhalb des Spitzenstroms Ib liegenden Sollwerts des Stroms T unabhängig von der Be­ triebsspannung Ub konstant.

Zu beachten wäre lediglich, daß die Anstiegsgeschwin­ digkeit des Stroms I während der Einschaltzeit des Schaltelements T2 stets größer als die des Signals Uc ist, um das Signal Uc überschreiten zu können, solange der Spitzenwert Ip noch nicht erreicht ist.

Claims (5)

1. Schaltungsanordnung zur Versorgung einer elektri­ schen Spule (L), insbesondere der Spule eines Ma­ gnetventils, mit einem vorbestimmten Betriebsstrom aus einer Spannungsquelle mit unterschiedlichen Be­ triebsspannungen (U_b), bei der die Spule (L) in Reihe mit einem ersten steuerbaren Schaltelement (T2) und einem Stromfühler (R) liegt und das Meßsi­ gnal des Stromfühlers (R) durch einen ersten Kompa­ rator (1) mit einem Bezugswert (U_ref) verglichen wird und durch das Ausgangssignal (A) des Kompara­ tors (1) bei Überschreitung des Bezugswerts durch das Meßsignal ein Zeitschalter (2) auslösbar ist, durch dessen Ausgangssignal das durch ein Betriebs­ signal (M) eingeschaltete erste Schaltelement (T2) ausschaltbar ist, bis das Meßsignal den Bezugswert erneut überschreitet, dadurch gekennzeichnet, daß das Meßsignal des Stromfühlers (R) durch einen zweiten Komparator (4) mit einem unabhängig von ei­ ner Änderung der Betriebsspannung nach einer vorbe­ stimmten Funktion stetig ansteigenden Signal (U_c) verglichen wird, das ebenfalls durch das Betriebssignal (M) auslösbar ist, und daß der Zeitschalter (2) durch das Ausgangssignal (B) des zweiten Kompa­ rators (4) auslösbar ist, wenn das Meßsignal das stetig ansteigende Signal (U_c) überschreitet, bevor das Meßsignal den Bezugswert (U_ref) überschreitet.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß das stetig ansteigende Signal (U_c) das Ausgangssignal eines Integrators (C) mit konstantem Eingangssignal ist.

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Integrator einen Kondensator (C)am Ausgang eines Konstantstromgenerators (6) aufweist.

4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 3, dadurch ge­ kennzeichnet, daß parallel zum Kondensator (C) ein zweites Schaltelement (T3) liegt, das beim Auftre­ ten des Betriebssignals (M) ausschaltbar ist, und umgekehrt.

5. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgänge der Komparatoren (1, 4) über ein ODER-Glied (5) mit dem Eingang des Zeitschalters (2) verbunden sind und das Ausgangssignal des Zeitschaltglieds (2) mit dem Betriebssignal (M) durch ein UND-Glied (3) ver­ knüpft ist, dessen Ausgang mit einem Steueranschluß des ersten Schaltelements (T2) verbunden ist.